Швидкість хімічної реакції через концентрацію. Пінцип Ле Шательє

Теми кодифікатора ЄДІ:Швидкість реакції. Її залежність від різних чинників.

Швидкість хімічної реакції показує, як швидко відбувається та чи інша реакція. Взаємодія відбувається при зіткненні частинок у просторі. При цьому реакція відбувається не при кожному зіткненні, а тільки коли частка мають відповідну енергію.

Швидкість реакції – кількість елементарних зіткнень взаємодіючих частинок, що закінчуються хімічним перетворенням, за одиницю часу.

Визначення швидкості хімічної реакції пов'язані з умовами проведення. Якщо реакція гомогенна- Тобто. продукти і реагенти знаходяться в одній фазі - швидкість хімічної реакції визначається, як зміна речовини в одиницю часу:

υ = ΔC / Δt.

Якщо реагенти, або продукти перебувають у різних фазах, і зіткнення частинок відбувається лише межі розділу фаз, то реакція називається гетерогенної, та швидкість її визначається зміною кількості речовини в одиницю часу на одиницю реакційної поверхні:

υ = Δν / (S · Δt).

Як змусити частки частіше стикатися, тобто. як збільшити швидкість хімічної реакції?

1. Найпростіший спосіб – підвищити температуру . Як вам, мабуть, відомо з курсу фізики, температура – ​​це міра середньої кінетичної енергії руху частинок речовини. Якщо ми підвищуємо температуру, то частинки будь-якої речовини починають рухатися швидше, а отже, стикатися частіше.

Однак при підвищенні температури швидкість хімічних реакцій збільшується переважно завдяки тому, що збільшується кількість ефективних зіткнень. При підвищенні температури різко збільшується кількість активних частинок, які можуть подолати енергетичний бар'єр реакції. Якщо знижуємо температуру – частки починають рухатися повільніше, кількість активних частинок зменшується, і кількість ефективних зіткнень на секунду зменшується. Таким чином, при підвищенні температури швидкість хімічної реакції підвищується, а при зниженні температури зменшується.

Зверніть увагу! Це правило працює однаково для всіх хімічних реакцій (у тому числі для екзотермічних та ендотермічних). Швидкість реакції залежить від теплового ефекту. Швидкість екзотермічних реакцій у разі підвищення температури зростає, а зниженні температури – зменшується. Швидкість ендотермічних реакцій також зростає при підвищенні температури і зменшується при зниженні температури.

Більше того, ще в XIX столітті голландський фізик Вант-Гофф експериментально встановив, що більшість реакцій приблизно однаково збільшують швидкість (приблизно в 2-4 рази) за підвищення температури на 10 о С. Правило Вант-Гоффа звучить так: підвищення температури на 10 о З призводить до збільшення швидкості хімічної реакції у 2-4 рази (цю величину називають температурний коефіцієнт швидкості хімічної реакції γ). Точне значення температурного коефіцієнта визначається кожної реакції.

Тут v 2 - Швидкість реакції при температурі T 2 , v 1 - швидкість реакції при температурі T 1 , γ - температурний коефіцієнт швидкості реакції, коефіцієнт Вант-Гоффа.

У деяких ситуаціях підвищити швидкість реакції з допомогою температури який завжди вдається, т.к. деякі речовини розкладаються у разі підвищення температури, деякі речовини чи арстворители випаровуються за підвищеної температури і т.д., тобто. порушуються умови проведення процесу.

2. Концентрація. Також підвищити кількість ефективних зіткнень можна, змінивши концентрацію реагуючих речовин . як правило, використовується для газів та рідин, т.к. у газах та рідинах частки швидко рухаються і активно перемішуються. Чим більша концентрація реагуючих речовин (рідин, газів), тим більша кількість ефективних зіткнень, і тим вища швидкість хімічної реакції.

З великої кількості експериментів 1867 року у роботах норвезьких учених П. Гульденберга і П. Вааге і, незалежно від цього, 1865 року російським ученим Н.І. Бекетовим було виведено основний закон хімічної кінетики, що встановлює залежність швидкості хімічної реакції від концентрації речовин, що реагують:

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

Для хімічної реакції виду: aA + bB = cC + dD закон мас, що діють, записується так:

тут v - швидкість хімічної реакції,

C A і C B - Концентрації речовин А і В, відповідно, моль/л

k - Коефіцієнт пропорційності, константа швидкості реакції.

Наприкладдля реакції утворення аміаку:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

закон діючих мас виглядає так:

Константа швидкості реакції показує, з якою швидкістю реагуватимуть речовини, якщо їх концентрації дорівнюють 1 моль/л, або їх добуток дорівнює 1. Константа швидкості хімічної реакції залежить від температури і не залежить від концентрації реагуючих речовин.

У законі мас не враховуються концентрації твердих речовин, т.к. вони реагують, як правило, на поверхні, і кількість частинок, що реагують, на одиницю поверхні при цьому не змінюється.

У більшості випадків хімічна реакція складається з несольких простих етапів, у такому разі рівняння хімічної реакції показує лише сумарне або підсумкове рівняння процесів, що відбуваються. При цьому швидкість хімічної реакції складним чином залежить (або не залежить) від концентрації речовин, що реагують, напівпродуктів або каталізатора, тому точна форма кінетичного рівняння визначається експериментально, або на підставі аналізу передбачуваного механізму реакції. Як правило, швидкість складної хімічної реакції визначається швидкістю його найповільнішого етапу ( лімітуючої стадії).

3. Тиск.Для газів концентрація безпосередньо залежить від тиску. При підвищенні тиску збільшується концентрація газів. Математичний вираз цієї залежності (для ідеального газу) – рівняння Менделєєва-Клапейрона:

pV = νRT

Таким чином, якщо серед реагентів є газоподібна речовина, то при підвищенні тиску швидкість хімічної реакції збільшується, при зниженні тиску зменшується .

Наприклад.Як зміниться швидкість реакції сплавлення вапна з оксидом кремнію:

CaCO 3 + SiO 2 ↔ CaSiO 3 + CO 2

при збільшенні тиску?

Правильним відповіддю буде – ніяк, т.к. серед реагентів немає газів, а карбонат кальцію – тверда сіль, нерозчинна у воді, оксид кремнію – тверда речовина. Газом буде продукт – вуглекислий газ. Але продукти не впливають на швидкість прямої реакції.

Ще один спосіб збільшити швидкість хімічної реакції - направити її іншим шляхом, замінивши пряму взаємодію, наприклад, речовин А і В серією послідовних реакцій з третьою речовиною К, які вимагають набагато менших витрат енергії (мають нижчий активаційний енергетичний бар'єр) і протікають при даних умовах швидше, ніж пряма реакція Ця третя речовина називають каталізатором .

– це хімічні речовини, що беруть участь у хімічній реакції, що змінюють її швидкість та напрямок, але не витрачаютьсяв ході реакції (по закінченні реакції, що не змінюються ні за кількістю, ні за складом). Зразковий механізм роботи каталізатора для реакції виду А + можна вибрати так:

A + K = AK

AK + B = AB + K

Процес зміни швидкості реакції при взаємодії з каталізатором називають каталізом. Каталізатори широко застосовують у промисловості, коли необхідно збільшити швидкість реакції, або направити її певним шляхом.

За фазовим станом каталізатора розрізняють гомогенний та гетерогенний каталіз.

Гомогенний каталіз - це коли реагуючі речовини та каталізатор знаходяться в одній фазі (газ, розчин). Типові гомогенні каталізатори – кислоти та основи. органічні аміни та ін.

Гетерогенний каталіз – це коли реагуючі речовини та каталізатор перебувають у різних фазах. Як правило, гетерогенні каталізатори – тверді речовини. Т.к. взаємодія в таких каталізаторах йде лише на поверхні речовини, важливою вимогою для каталізаторів є велика площа поверхні. Гетерогенні каталізатори відрізняє висока пористість, що збільшує площу поверхні каталізатора. Так, сумарна площа поверхні деяких каталізаторів іноді досягає 500 метрів квадратних на 1 г каталізатора. Велика площа та пористість забезпечують ефективну взаємодію з реагентами. До гетерогенних каталізаторів відносяться метали, цеоліти - кристалічні мінерали групи алюмосилікатів (з'єднань кремнію та алюмінію) та інші.

прикладгетерогенного каталізу – синтез аміаку:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Як каталізатор використовується пористе залізо з домішками Al 2 O 3 і K 2 O.

Сам каталізатор не витрачається в ході хімічної реакції, але на поверхні каталізатора накопичуються інші речовини, що зв'язують активні центри каталізатора і блокують його роботу ( каталітичні отрути). Їх необхідно регулярно видаляти шляхом регенерації каталізатора.

У біохімічних реакціях дуже ефективними виявляються каталізатори. ферменти. Ферментативні каталізатори діють високоефективно та вибірково, з вибірковістю 100%. На жаль, ферменти дуже чутливі до підвищення температури, кислотності середовища та інших факторів, тому є низка обмежень для реалізації у промислових масштабах процесів із ферментативним каталізом.

Каталізатори не варто плутати з ініціаторамипроцесу та інгібіторами. Наприкладдля ініціювання радикальної реакції хлорування метану необхідне опромінення ультрафіолетом. Це не каталізатор. Деякі радикальні реакції ініціюються пероксидними радикалами. Це також не каталізатори.

Інгібітори- Це речовини, які уповільнюють хімічну реакцію. Інгібітори можуть витрачатися та брати участь у хімічній реакції. При цьому інгібітори не є каталізаторами. Зворотний каталіз у принципі неможливий – реакція в будь-якому випадку намагатиметься йти швидшим шляхом.

5. Площа зіткнення реагуючих речовин. Для гетерогенних реакцій одним із способів збільшити кількість ефективних зіткнень є збільшення площі реакційної поверхні . Чим більша площа поверхні контакту реагуючих фаз, тим більша швидкість гетерогенної хімічної реакції. Порошковий цинк набагато швидше розчиняється в кислоті, ніж гранульований цинк такої самої маси.

У промисловості для збільшення площі контактуючої поверхні реагуючих речовин використовують метод киплячого шару. Наприклад, при виробництві сірчаної кислоти методом киплячого прошарку виробляють випал колчедану.

6. Природа реагуючих речовин . На швидкість хімічних реакцій за інших рівних умов впливають хімічні властивості, тобто. природа реагуючих речовин. Менш активні речовини мають більш високий активаційний бар'єр, і вступають у реакції повільніше, ніж активніші речовини. Більш активні речовини мають нижчу енергію активації і значно легше і частіше вступають у хімічні реакції.

При невеликих значеннях активації енергії (менше 40 кДж/моль) реакція проходить дуже швидко і легко. Значна частина зіткнень між частинками закінчується хімічним перетворенням. Наприклад, реакції іонного обміну відбуваються за звичайних умов дуже швидко.

При високих значеннях енергії активації (понад 120 кДж/моль) лише незначна кількість зіткнень закінчується хімічним перетворенням. Швидкість таких реакцій дуже мала. Наприклад, азот з киснем практично не взаємодіє за нормальних умов.

При середніх значеннях енергії активації (від 40 до 120 кДж/моль) швидкість реакції буде середньою. Такі реакції також йдуть за звичайних умов, але не дуже швидко, так що їх можна спостерігати неозброєним оком. До таких реакцій відносяться взаємодія натрію з водою, взаємодія заліза із соляною кислотою та ін.

Речовини, стабільні за нормальних умов, зазвичай, мають високі значення енергії активації.

Хімічні реакції протікають з різними швидкостями: з малою швидкістю – при утворенні сталактитів та сталагмітів, із середньою швидкістю – при варінні їжі, миттєво – при вибуху. Дуже швидко відбуваються реакції у водних розчинах.

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

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

(v гомог) визначається як зміною кількості речовини в одиницю часу в одиниці об'єму:

де Δn - зміна числа молей однієї речовини (найчастіше вихідної, але можливо і продукту реакції); Δt - інтервал часу (с, хв); V - обсяг газу чи розчину (л).

Оскільки відношення кількості речовини до обсягу є молярною концентрацією С, то

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

якщо об'єм системи не змінюється.

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

Визначається як зміна кількості речовини за одиницю часу на одиниці поверхні.

де S - площа поверхні зіткнення речовин (м 2 см 2).

Зміна кількості речовини, якою визначають швидкість реакції, - це зовнішній чинник, що спостерігається дослідником. По суті всі процеси здійснюються на мікрорівні. Очевидно, для того, щоб якісь частинки прореагували, вони передусім мають зіткнутися, причому зіткнутися ефективно: не розлетітися, як м'ячики, різні сторони, а так, щоб у частках зруйнувалися або ослабли «старі зв'язки» і змогли утворитися «нові», а для цього частинки повинні мати достатню енергію.

Розрахункові дані показують, що, наприклад, у газах зіткнення молекул при атмосферному тиску обчислюються мільярдами за 1 секунду, тобто всі реакції мали б йти миттєво. Але це не так. Виявляється, що лише дуже невелика частка молекул має необхідну енергію, що призводить до ефективного зіткнення.

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

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

Швидкість хімічної реакції залежить багатьох чинників. Основними з них є: природа та концентрація реагуючих речовин, тиск (у реакціях за участю газів), температура, дія каталізаторів та поверхня реагуючих речовин у разі гетерогенних реакцій.

Температура

При підвищенні температури найчастіше швидкість хімічної реакції значно зростає. У ХІХ ст. голландський хімік Я. X. Вант-Гофф сформулював правило:

Підвищення температури кожні 10 °З призводить до підвищенняшвидкості реакції у 2-4 рази(Цю величину називають температурним коефіцієнтом реакції).

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

де v t 1 і v t 2 - швидкості реакції відповідно при кінцевій t 2 і початковій t 1 температурах, а - температурний коефіцієнт швидкості реакції, який показує, у скільки разів збільшується швидкість реакції з підвищенням температури на кожні 10 °С.

Однак для збільшення швидкості реакції підвищення температури не завжди застосовується, тому що вихідні речовини можуть почати розкладатися, можуть випаровуватися розчинники або самі речовини і т.д.

Ендотермічні та екзотермічні реакції

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

Про що можуть казати ці факти? При утворенні нових хімічних зв'язків у продуктах реакції виділяється більшеенергії, чим потрібно розрив хімічних зв'язків у реагентах. Надлишок енергії виділяється у вигляді тепла, а іноді й світла.

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 Про + Q (енергія (світло, тепло));

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

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

Реакції, у яких енергія виділяється, називаються ЕКЗОТЕРМІЧНИМИ(Від латинського «екзо» - назовні).

Наприклад, багато окислювально-відновних реакцій є екзотермічними. Одна з таких гарних реакцій - внутрішньомолекулярне окислення-відновлення, що протікає всередині однієї і тієї ж солі - дихромату амонію (NH 4) 2 Cr 2 O 7:

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O + Q (енергія).

Інша річ – зворотні реакції. Вони аналогічні закочування каменю в гору. Отримати метан з CO 2 і води досі не вдається, а для отримання негашеного вапна СаО гідроксиду кальцію Са(ОН) 2 потрібне сильне нагрівання. Така реакція йде лише за постійного припливу енергії ззовні:

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

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

Реакції, у яких енергія поглинається, називаються ЕНДОТЕРМІЧНИМИ(Від "ендо" - всередину).

Концентрація реагуючих речовин

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

Щоб здійснилася хімічна взаємодія між частинками, вони мають ефективно зіткнутися. Чим більша концентрація реагуючих речовин, тим більше зіткнень і, відповідно, вища швидкість реакції. Наприклад, у чистому кисні ацетилен згоряє дуже швидко. У цьому розвивається температура, достатня плавлення металу. На основі великого експериментального матеріалу в 1867 р. норвежцями К. Гульденбергом і П. Вааге і незалежно від них у 1865 р. російським вченим Н. І. Бекетовим був сформульований основний закон хімічної кінетики, що встановлює залежність швидкості реакції від концентрації речовин, що реагують.

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

Цей закон називають також законом чинних мас.

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

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

Тут С А, С - концентрації речовин А і В (моль/л); k 1 і k 2 - Коефіцієнти пропорційності, звані константами швидкості реакції.

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

Закон чинних мас не враховує концентрації реагуючих речовин, що знаходяться у твердому стані, Оскільки вони реагують на поверхні та їх концентрації зазвичай є постійними.

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

т. е. швидкість реакції пропорційна лише концентрації кисню.

Якщо ж рівняння реакції описує лише сумарну хімічну реакцію, яка проходить у кілька стадій, швидкість такої реакції може складним чином залежати від концентрацій вихідних речовин. Ця залежність визначається експериментально чи теоретично виходячи з передбачуваного механізму реакції.

Дія каталізаторів

Можна збільшити швидкість реакції, використовуючи спеціальні речовини, які змінюють механізм реакції і направляють її енергетично більш вигідному шляху з меншою енергією активації. Їх називають каталізаторами (від латів. katalysis – руйнація).

Каталізатор діє як досвідчений провідник, що спрямовує групу туристів не через високий перевал у горах (його подолання вимагає багато сил і часу і не всім доступно), а відомими йому обхідними стежками, якими можна подолати гору значно легше і швидше.

Щоправда, обхідним шляхом можна потрапити не зовсім туди, куди веде головний перевал. Але іноді саме це потрібно! Саме так діють каталізатори, які називаються селективними. Зрозуміло, що немає необхідності спалювати аміак та азот, зате оксид азоту (II) знаходить використання у виробництві азотної кислоти.

Каталізатори- це речовини, що беруть участь у хімічній реакції та змінюють її швидкість або напрямок, але після закінчення реакції залишаються незмінними кількісно та якісно.

Зміну швидкості хімічної реакції чи її напрями з допомогою каталізатора називають каталізом. Каталізатори широко використовують у різних галузях промисловості та на транспорті (каталітичні перетворювачі, що перетворюють оксиди азоту вихлопних газів автомобіля на нешкідливий азот).

Розрізняють два види каталізу.

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

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

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

Наприклад, при виробництві сірчаної кислоти контактним способом використовують твердий каталізатор - оксид ванадію (V) V 2 O 5:

При виробництві метанолу використовують твердий «цинкохромовий» каталізатор (8ZnO Cr 2 O 3 х CrO 3):

Дуже ефективно працюють біологічні каталізатори – ферменти. За хімічною природою це білки. Завдяки їм у живих організмах за невисокої температури з великою швидкістю протікають складні хімічні реакції.

Відомі інші цікаві речовини – інгібітори (від лат. inhibere – затримувати). Вони швидко реагують з активними частинками з утворенням малоактивних сполук. В результаті реакція різко уповільнюється і потім припиняється. Інгібітори часто спеціально додають у різні речовини, щоб запобігти небажаним процесам.

Наприклад, з допомогою інгібіторів стабілізують розчини пероксиду водню.

Природа речовин, що реагують (їх склад, будова)

Значення енергії активаціїє тим фактором, за допомогою якого позначається вплив природи речовин, що реагують, на швидкість реакції.

Якщо енергія активації мала (< 40 кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкнове­ний между частицами реагирующих веществ при­водит к их взаимодействию, и скорость такой ре­акции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих ре­акциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в данных случаях ничтожно мала.

Якщо енергія активації велика(> 120 кДж/моль), це означає, що лише нікчемна частина зіткнень між взаємодіючими частинками призводить до реакції. Швидкість такої реакції тому дуже мала. Наприклад, перебіг реакції синтезу аміаку за нормальної температури помітити практично неможливо.

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

Поверхня дотику реагуючих речовин

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

Збільшення швидкості реакції пояснюється насамперед збільшенням поверхні дотику вихідних речовин, а також ряд інших причин, наприклад, порушенням структури «правильної» кристалічної решітки. Це призводить до того, що частинки на поверхні мікрокристалів, що утворюються, значно реакційноздатніше, ніж ті ж частинки на «гладкій» поверхні.

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

Довідковий матеріал для проходження тестування:

таблиця Менделєєва

Таблиця розчинності

Механізми перебігу хімічних перетворень та його швидкості вивчає хімічна кінетика. Хімічні процеси протікають у часі з різними швидкостями. Якісь відбуваються швидко, майже миттєво, для протікання інших потрібний досить тривалий час.

Швидкість реакції- швидкість, з якою витрачаються реагенти (їх концентрація зменшується) або утворюються продукти реакції в одиниці об'єму.

Чинники, здатні впливати на швидкість хімічної реакції

На те, наскільки швидко відбуватиметься хімічна взаємодія, можуть вплинути такі фактори:

• концентрація речовин;
• природа реагентів;
• температура;
• присутність каталізатора;
• тиск (для реакцій у газовому середовищі).

Таким чином, змінюючи певні умови протікання хімічного процесу, можна вплинути на те, наскільки швидко протікатиме процес.

У процесі хімічної взаємодії частки реагуючих речовин стикаються одна з одною. Кількість таких збігів пропорційно числу частинок речовин в об'ємі суміші, що реагує, а значить і пропорційно молярним концентраціям реагентів.

Закон чинних масвизначає залежність швидкості реакції від молярних концентрацій речовин, які у взаємодію.

Для елементарної реакції (А + В → …) цей закон виражається формулою:

υ = k · З A · З B,

де k – константа швидкості; A і B - молярні концентрації реагентів, А і В.

Якщо одна з реагуючих речовин знаходиться в твердому стані, то взаємодія відбувається на поверхні розділу фаз, у зв'язку з цим концентрація твердої речовини не включається до рівняння кінетичного закону мас, що діють. Для розуміння фізичного сенсу константи швидкості, необхідно прийняти С, А і С рівними 1. Тоді стає зрозуміло, що константа швидкості дорівнює швидкості реакції при концентраціях реагентів, рівних одиниці.

Природа реагентів

Так як у процесі взаємодії руйнуються хімічні зв'язки реагуючих речовин і утворюються нові зв'язки продуктів реакції, то велику роль відіграватиме характер зв'язків, що беруть участь у реакції сполук та будову молекул реагуючих речовин.

Площа поверхні зіткнення реагентів

Така характеристика, як площа поверхні дотику твердих реагентів, на протікання реакції впливає часом досить значно. Подрібнення твердої речовини дозволяє збільшити площу поверхні зіткнення реагентів, а значить і прискорити перебіг процесу. Площа зіткнення розчинних речовин легко збільшується розчиненням речовини.

Температура реакції

При збільшенні температури енергія часток, що стикаються, зросте, очевидно, що зі зростанням температури і сам хімічний процес буде прискорюватися. Наочним прикладом того, як збільшення температури впливає на процес взаємодії речовин, можна вважати наведені в таблиці дані.

Таблиця 1. Вплив зміни температури на швидкість утворення води (О 2 +2Н 2 →2Н 2 О)

Для кількісного опису того, як температура може впливати на швидкість взаємодії речовин, використовують правило Вант-Гоффа. Правило Вант-Гоффа полягає в тому, що при підвищенні температури на 10 градусів відбувається прискорення в 2-4 рази.

Математична формула, що описує правило Вант-Гоффа, виглядає так:

Де - температурний коефіцієнт швидкості хімічної реакції (γ = 2-4).

Але набагато точніше описує температурну залежність константи швидкості рівняння Арреніуса:

Де R - універсальна газова стала, А - множник, який визначається видом реакції, Е, А - енергія активації.

Енергією активації називають таку енергію, яку має придбати молекула, щоб відбулося хімічне перетворення. Тобто вона є якимось енергетичним бар'єром, який необхідно буде подолати молекулам, що стикаються в реакційному обсязі, для перерозподілу зв'язків.

Енергія активації залежить від зовнішніх чинників, а залежить від природи речовини. Значення енергії активації до 40 - 50 кДж/моль дозволяє речовинам реагувати одне з одним досить активно. Якщо ж енергія активації перевищує 120 кДж/моль, то речовини (при нормальних температурах) будуть реагувати дуже повільно. Зміна температури призводить до зміни кількості активних молекул, тобто молекул, що досягли енергії більшої, ніж енергія активації, а отже, здатних до хімічних перетворень.

Дія каталізатора

Каталізатором називають речовину, здатну прискорювати процес, але не входить до складу його продуктів. Каталіз (прискорення протікання хімічного перетворення) поділяють на гомогенний, гетерогенний. Якщо реагенти і каталізатор перебувають у однакових агрегатних станах, то каталіз називають гомогенним, якщо різних, то гетерогенним. Механізми дії каталізаторів різноманітні та досить складні. Крім того, слід зазначити, що для каталізаторів характерна вибірковість дії. Тобто той самий каталізатор, прискорюючи одну реакцію, може не змінювати швидкість інший.

Тиск

Якщо у перетворенні беруть участь газоподібні речовини, то на швидкість перебігу процесу впливатиме зміна тиску в системі . Це відбувається тому, Що для газоподібних реагентів зміна тиску призводить до зміни концентрації.

Експериментальне визначення швидкості хімічної реакції

Визначити швидкість протікання хімічного перетворення експериментально можна, отримавши дані у тому, як у одиницю часу змінюється концентрація речовин, які у реакцію, чи продуктів. Методи отримання таких даних поділяють на

• хімічні,
• фізико-хімічні.

Хімічні методи досить прості, доступні та точні. З їх допомогою швидкість визначають безпосередньо заміряючи концентрацію або кількість речовини реагентів або продуктів. У разі повільної реакції для контролю за тим, як витрачається реагент відбирають проби. Після чого визначають вміст пробі реагенту. Здійснюючи відбір проб через рівні проміжки часу, можна отримати дані про зміну кількості речовини у процесі взаємодії. Найчастіше використовують такі види аналізу, як титриметрія та гравіметрія.

Якщо реакція протікає швидко, щоб відібрати пробу, її доводиться зупиняти. Це можна зробити за допомогою охолодження, різкого видалення каталізатора, також можна зробити розведення чи перевести одне із реагентів на не реакционноспособное стан.

Методи фізико-хімічного аналізу у сучасній експериментальній кінетиці використовуються частіше, ніж хімічні. З їхньою допомогою можна спостерігати зміна концентрацій речовин у реальному часі. При цьому реакцію немає необхідності зупиняти та відбирати проби.

Фізико-хімічні методи ґрунтуються на вимірі фізичної властивості, яка залежить від кількісного вмісту в системі певної сполуки та змінюється з часом. Наприклад, якщо реакції беруть участь гази, то такою властивістю може бути тиск. Вимірюють також електропровідність, показник заломлення, спектри поглинання речовин.

Швидкість хімічної реакції – це зміна концентрації речовин, що реагують, в одиницю часу.

При гомогенних реакціях простором реакції позначається об'єм реакційної судини, а при гетерогенних поверхня, на якій протікає реакція. Концентрацію реагуючих речовин зазвичай виражають у моль/л - кількості молей речовини в 1 літрі розчину.

Швидкість хімічної реакції залежить від природи речовин, що реагують, концентрації, температури, тиску, поверхні дотику речовин і її характеру, присутності каталізаторів.

Збільшення концентрації речовин, що вступають у хімічну взаємодію, призводить до збільшення швидкості хімічної реакції. Це відбувається тому, що всі хімічні реакції проходять між деякою кількістю частинок, що реагують (атомами, молекулами, іонами). Чим більше цих частинок обсягом реакційного простору, тим частіше вони стикаються і відбувається хімічна взаємодія. Хімічна реакція може протікати через чи кілька елементарних актів (співдарень). З рівняння реакції можна записати вираз залежності швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин. Якщо в елементарному акті бере участь лише одна молекула (при реакції розкладання), залежність матиме такий вигляд:

v= k * [A]

Це рівняння мономолекулярної реакції. Коли елементарному акті відбувається взаємодія двох різних молекул, залежність має вигляд:

v= k*[A]*[B]

Реакція називається бімолекулярною. У разі зіткнення трьох молекул справедливий вираз:

v= k*[A]*[B]*[C]

Реакція називається тримолекулярною. Позначення коефіцієнтів:

v — швидкість реакції;

[А], [В], [С] - концентрації реагуючих речовин;

k - коефіцієнт пропорційності; називається константою швидкості реакції.

Якщо концентрації реагуючих речовин дорівнюють одиниці (1 моль/л) або їх добуток дорівнює одиниці, то v = k.. Константа швидкості залежить від природи реагуючих речовин та від температури. Залежність швидкості простих реакцій (тобто реакцій, що протікають через один елементарний акт) від концентрації описується законом мас: швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрації речовин, що реагують, зведених у ступінь їх стехіометричних коефіцієнтів.

Наприклад розберемо реакцію 2NO + O 2 = 2NO 2 .

У ній v= k * 2 *

У випадку, коли рівняння хімічної реакції не відповідає елементарному акту взаємодії, а відображає лише зв'язок між масою речовин, що вступили в реакцію і утворилися, то ступеня у концентрацій не будуть рівні коефіцієнтам, що стоять перед формулами відповідних речовин у рівнянні реакції. Для реакції, яка протікає в кілька стадій, швидкість реакції визначається швидкістю повільної (лімітує) стадії.

Така залежність швидкості реакції від концентрації речовин, що реагують, справедлива для газів і реакцій, що проходять в розчині. Реакції з участю твердих речовин не підпорядковуються закону діючих мас, оскільки взаємодія молекул відбувається на поверхні розділу фаз. Отже, швидкість гетерогенної реакції залежить ще й від величини та характеру поверхні дотику реагуючих фаз. Чим більша поверхня – тим швидше йтиме реакція.

Вплив температури на швидкість хімічної реакції

Вплив температури на швидкість хімічної реакції визначається правилом Вант-Гоффа: при підвищенні температури на кожні 10 ° З швидкість реакції збільшується в 2-4 рази.Математично це правило передається наступним рівнянням:

v t2= v t1* g (t2-t1)/10

де v t1і v t2 -швидкості реакцій при температурах t2 та t1; g — температурний коефіцієнт реакції — число, що показує, скільки разів збільшується швидкість реакції при підвищенні температури на кожні 10 ° C. Така значна залежність швидкості хімічної реакції від температури пояснюється тим, що утворення нових речовин відбувається не при будь-якому зіткненні молекул, що реагують. Взаємодіють тільки ті молекули (активні молекули), які мають достатню енергію, щоб розірвати зв'язки у вихідних частках. Тож кожна реакція характеризується енергетичним бар'єром. Для подолання молекули необхідна енергія активації -деяка надмірна енергія, якою повинна мати молекула для того, щоб її зіткнення з іншою молекулою призвело до утворення нової речовини. Зі зростанням температури кількість активних молекул швидко збільшується, що призводить до різкого зростання швидкості реакції за правилом Вант-Гоффа. Енергія активації кожної конкретної реакції залежить від природи реагуючих речовин.

Теорія активних зіткненьдає змогу пояснити вплив деяких факторів на швидкість хімічної реакції. Основні положення цієї теорії:

• Реакції відбуваються при зіткненні частинок реагентів, які мають певну енергію.
• Чим більше частинок реагентів, чим ближче вони один до одного, тим більше шансів у них зіткнутися та прореагувати.
• До реакції призводять лише ефективні зіткнення, тобто. такі за яких руйнуються чи послаблюються «старі зв'язки» і тому можуть утворитися «нові». Для цього частинки повинні мати достатню енергію.
• Мінімальний надлишок енергії, необхідний для ефективного зіткнення частинок реагентів, називається енергією активації Еа.
• Активність хімічних речовин проявляється в низькій енергії активації реакцій за їх участю. Чим нижча енергія активації, тим вища швидкість реакції.Наприклад, у реакціях між катіонами та аніонами енергія активації дуже мала, тому такі реакції протікають майже миттєво.

Вплив каталізатора

Одне з найефективніших засобів на швидкість хімічних реакцій — використання каталізаторів. До аталізаторице речовини, які змінюють швидкість реакції, а самі до кінця процесу залишаються незмінними за складом та за масою. Інакше кажучи, в момент самої реакції каталізатор бере активну участь у хімічному процесі, але до кінця реакції реагенти змінюють свій хімічний склад, перетворюючись на продукти, а каталізатор виділяється в початковому вигляді. Зазвичай роль каталізатора полягає у збільшенні швидкості реакції, хоча деякі каталізатори не прискорюють, а процес уповільнюють. Явище прискорення хімічних реакцій завдяки присутності каталізаторів має назву каталізу,а уповільнення - інгібування.

Деякі речовини не мають каталітичної дії, але їх добавки різко збільшують каталітичну здатність каталізаторів. Такі речовини називаються промоторами. Інші речовини (каталітичні отрути) зменшують або навіть повністю блокують дію каталізаторів, цей процес називається отруєнням каталізатора.

Існують два види каталізу: гомогеннийі гетерогенний. При гомогенний каталізреагенти, продукти та каталізатор становлять одну фазу (газову або рідку). В цьому випадку відсутня поверхня розділу між каталізатором та реагентами.

Особливість гетерогенного каталізуполягає в тому, що каталізатори (зазвичай тверді речовини) знаходяться в іншому фазовому стані, ніж реагенти та продукти реакції. Реакція розвивається зазвичай лежить на поверхні твердого тіла.

При гомогенному каталізі відбувається утворення проміжних продуктів між каталізатором і реагує в результаті реакції з меншим значенням енергії активації. При гетерогенному каталізі збільшення швидкості пояснюється адсорбцією речовин, що реагують на поверхні каталізатора. Внаслідок цього їх концентрація збільшується і швидкість реакції зростає.

Особливим випадком каталізу є аутокаталіз.Сенс його полягає в тому, що хімічний процес пришвидшується одним із продуктів реакції.

Системи. Але дана величина не відображає реальну можливість перебігу реакції, її швидкістьта механізм.

Для повноцінного уявлення хімічної реакції, треба знати у тому, які існують тимчасові закономірності під час її здійсненні, тобто. швидкість хімічної реакціїта її детальний механізм. Швидкість та механізм реакції вивчає хімічна кінетика- Наука про хімічний процес.

З погляду хімічної кінетики реакції можна класифікувати на прості та складні.

Прості реакції– процеси, які відбуваються без утворення проміжних сполук. За кількістю частинок, що беруть у ній участь, вони поділяються на мономолекулярні, бімолекулярні, тримолекулярні.Зіткнення більшого ніж 3 числа частинок малоймовірне, тому тримолекулярні реакції досить рідкісні, а чотиримолекулярні - невідомі. Складні реакції– процеси, які з кількох елементарних реакцій.

Будь-який процес протікає з властивою йому швидкістю, яку можна визначити за змінами, що відбуваються за певний відрізок часу. Середню швидкість хімічної реакціївиражають зміною кількості речовини nвитраченої чи отриманої речовини в одиниці об'єму V за одиницю часу t.

υ = ± dn/ dt· V

Якщо речовина витрачається, то ставимо знак "-", якщо накопичується - "+"

При постійному обсязі:

υ = ± dC/ dt,

Одиниця виміру швидкості реакції моль/л·с

В цілому, υ — величина постійна і не залежить від того, за якою речовиною, що бере участь у реакції, ми стежимо.

Залежність концентрації реагенту або продукту від часу протікання реакції подають у вигляді кінетичної кривої, яка має вигляд:

Обчислювати з експериментальних даних зручніше, якщо зазначені вище вирази перетворити на наступний вираз:

Закон чинних мас. Порядок та константа швидкості реакції

Одне з формулювань закону чинних масзвучить так: Швидкість елементарної гомогенної хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагентів.

Якщо досліджуваний процес подати у вигляді:

а А + b В = продукти

то швидкість хімічної реакції можна виразити кінетичним рівнянням:

υ = k · [A] a · [B] bабо

υ = k·C a A ·C b B

Тут [ A] та [B] (C A іC B)- концентрації реагентів,

а іb– стехіометричні коефіцієнти простої реакції,

k- Константа швидкості реакції.

Хімічний зміст величини k- це швидкість реакціїпри поодиноких концентраціях. Тобто якщо концентрації речовин А і В дорівнюють 1, то υ = k.

Треба враховувати, що у складних хімічних процесах коефіцієнти а іbне збігаються зі стехіометричними.

Закон діючих мас виконується за дотримання низки умов:

• Реакція активується теплово, тобто. енергією теплового руху.
• Концентрація реагентів розподілена рівномірно.
• Властивості та умови середовища під час процесу не змінюються.
• Властивості середовища не повинні впливати на k.

До складних процесів закон дії мас застосувати не можна. Це можна пояснити тим, що складний процесскладається з декількох елементарних стадій, і його швидкість визначатиметься не сумарною швидкістю всіх стадій, лише однією найповільнішою стадією, яка називається лімітує.

Кожна реакція має свій порядок. Визначають приватний (парціальний) порядокпо реагенту та загальний (повний) порядок. Наприклад, у вираженні швидкості хімічної реакції для процесу

а А + b В = продукти

υ = k·[ A] a·[ B] b

a- Порядок по реагенту А

b — порядок по реагенту У

Загальний порядок a + b = n

Для простих процесівпорядок реакції вказує на кількість частинок, що реагують (збігається зі стехіометричними коефіцієнтами) і приймає цілочисельні значення. Для складних процесівпорядок реакції не збігається зі стехіометричними коефіцієнтами і може бути будь-яким.

Визначимо чинники, що впливають швидкість хімічної реакції υ.

1. Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин

   визначається законом діючих мас: υ = k[ A] a·[ B] b

Очевидно, що зі збільшенням концентрацій реагуючих речовин υ збільшується, т.к. збільшується кількість зіткнень між речовинами, що беруть участь у хімічному процесі. Причому важливо враховувати порядок реакції: якщо це n = 1щодо деякого реагенту, то її швидкість прямо пропорційна концентрації цієї речовини. Якщо за якимось реагентом n = 2, то подвоєння його концентрації призведе до зростання швидкості реакції в 22 = 4 рази, а збільшення концентрації в 3 рази прискорить реакцію в 32 = 9 разів.