Скорость химической реакции

Содержание

Факторы, влияющие на скорость химической реакции, константа скорости и её физический смысл

Скорость химической реакции

Механизмы протекания химических превращений и их скорости изучает химическая кинетика. Химические процессы протекают во времени с различными скоростями. Какие-то происходят быстро, почти мгновенно, для протекания других требуется весьма продолжительное время.

  • Факторы, способные влиять на скорость химической реакции
  • Концентрация реагентов
  • Природа реагентов
  • Площадь поверхности соприкосновения реагентов
  • Температура реакции
  • Действие катализатора
  • Давление
  • Экспериментальное определение скорости химической реакции

Скорость реакции — скорость с которой расходуются реагенты (их концентрация уменьшается) или образуются продукты реакции в единице объёма.

: типы кристаллических решеток – таблица различных материалов.

Факторы, способные влиять на скорость химической реакции

На то, насколько быстро будет происходить химическое взаимодействие, могут повлиять следующие факторы:

  • концентрация веществ;
  • природа реагентов;
  • температура;
  • присутствие катализатора;
  • давление (для реакций в газовой среде).

Таким образом, изменяя определённые условия протекания химического процесса, можно повлиять на то, насколько быстро будет протекать процесс.

: металлы и неметаллы в периодической таблице Менделеева.

Концентрация реагентов

В процессе химического взаимодействия частицы реагирующих веществ сталкиваются друг с другом. Количество таких совпадений пропорционально числу частиц веществ в объёме реагирующей смеси, а значит и пропорционально молярным концентрациям реагентов.

Закон действующих масс описывает зависимость скорости реакции от молярных концентраций веществ, вступающих во взаимодействие.

Для элементарной реакции (А + В → …) данный закон выражается формулой:

υ = k ∙С A ∙С B,

где k — константа скорости; С A и С B — молярные концентрации реагентов, А и В.

Если одно из реагирующих веществ находится в твёрдом состоянии, то взаимодействие происходит на поверхности раздела фаз, в связи с этим концентрация твёрдого вещества не включается в уравнение кинетического закона действующих масс. Для понимания физического смысла константы скорости, необходимо принять С, А и С В равными 1. Тогда становится понятно, что константа скорости равна скорости реакции при концентрациях реагентов, равных единице.

: как расставлять коэффициенты в химических уравнениях?

Природа реагентов

Так как в процессе взаимодействия разрушаются химические связи реагирующих веществ и образуются новые связи продуктов реакции, то большую роль будет играть характер связей, участвующих в реакции соединений и строение молекул реагирующих веществ.

Площадь поверхности соприкосновения реагентов

Такая характеристика, как площадь поверхности соприкосновения твёрдых реагентов, на протекание реакции влияет, порой, довольно значительно. Измельчение твёрдого вещества позволяет увеличить площадь поверхности соприкосновения реагентов, а значит и ускорить протекание процесса. Площадь соприкосновения растворимых веществ легко увеличивается растворением вещества.

: водородная связь – примеры, механизм образования.

Температура реакции

При увеличении температуры энергия сталкивающихся частиц возрастёт, очевидно, что с ростом температуры и сам химический процесс будет ускоряться. Наглядным примером того, как увеличение температуры влияет на процесс взаимодействия веществ, можно считать приведённые в таблице данные.

Таблица 1. Влияние изменения температуры на скорость образования воды (О 2 +2Н 2 →2Н 2 О)

Температура, °СВремя
18230 млрд лет
118230 млн лет
218230 тыс. лет
318230 лет
41881 день
5182 ч.
6187 с.

Для количественного описания того, как температура может влиять на скорость взаимодействия веществ используют правило Вант-Гоффа. Правило Вант-Гоффа состоит в том, что при повышении температуры на 10 градусов, происходит ускорение в 2−4 раза.

Математическая формула, описывающая правило Вант-Гоффа, выглядит следующим образом:

, где γ – температурный коэффициент скорости химической реакции (γ = 2−4).

Но гораздо более точно описывает температурную зависимость константы скорости уравнение Аррениуса:

, где R — универсальная газовая постоянная, А — множитель, определяемый видом реакции, Е, А — энергия активации.

Энергией активации называют такую энергию, которую должна приобрести молекула, чтобы произошло химическое превращение. То есть она является неким энергетическим барьером, который необходимо будет преодолеть сталкивающимся в реакционном объёме молекулам для перераспределения связей.

Энергия активации не зависит от внешних факторов, а зависит от природы вещества. Значение энергии активации до 40 — 50 кДж/моль позволяет веществам реагировать друг с другом довольно активно.

Если же энергия активации превышает 120 кДж/моль, то вещества (при обычных температурах) будут реагировать очень медленно.

Изменение температуры приводит к изменению количества активных молекул, то есть молекул, достигших энергии большей, чем энергия активации, а значит способных к химическим превращениям.

Действие катализатора

Катализатором называют вещество, способное ускорять процесс, но не входящее в состав его продуктов. Катализ (ускорение протекания химического превращения) разделяют на · гомогенный, · гетерогенный.

Если реагенты и катализатор находятся в одинаковых агрегатных состояниях, то катализ называют гомогенным, если в различных, то гетерогенным. Механизмы действия катализаторов разнообразны и достаточно сложны. Кроме того, стоит отметить, что для катализаторов характерна избирательность действия.

То есть один и тот же катализатор, ускоряя одну реакцию, может никак не изменять скорость другой.

Давление

Если в превращении участвуют газообразные вещества, то на скорость протекания процесса будет влиять изменение давления в системе. Это происходит потому, что для газообразных реагентов изменение давления приводит к изменению концентрации.

Экспериментальное определение скорости химической реакции

Определить быстроту протекания химического превращения экспериментально можно, получив данные о том, как в единицу времени меняется концентрация веществ, вступающих в реакцию, или продуктов. Методы получения таких данных делят на

  • химические,
  • физико-химические.

Химические методы достаточно просты, доступны и точны. С их помощью скорость определяют, непосредственно замеряя концентрацию или количество вещества реагентов или продуктов. В случае медленной реакции, для контроля за тем, как расходуется реагент отбирают пробы.

После чего определяют содержание в пробе реагента. Осуществляя отбор проб через равные промежутки времени, можно получить данные об изменении количества вещества в процессе взаимодействия. Чаще всего используют такие виды анализа, как титриметрия и гравиметрия.

Если реакция протекает быстро, то чтобы отобрать пробу, её приходится останавливать. Это можно сделать с помощью охлаждения, резкого удаления катализатора, также можно произвести разбавление либо перевести один из реагентов в не реакционноспособное состояние.

Методы физико-химического анализа в современной экспериментальной кинетике используются чаще, чем химические. С их помощью можно наблюдать изменение концентраций веществ в реальном времени. При этом реакцию нет необходимости останавливать и отбирать пробы.

Физико-химические методы основываются на измерении физического свойства, зависящего от количественного содержания в системе определённого соединения и изменяющегося со временем. Например, если в реакции участвуют газы, то таким свойством может быть давление. Также измеряют электропроводность, показатель преломления, спектры поглощения веществ.

Источник: https://obrazovanie.guru/himiya/skorost-reaktsii-i-faktory-na-nee-vliyayushhie.html

Скорость реакции, ее зависимость от различных факторов

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции — изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства.

На  скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

  • природа реагирующих веществ;
  • концентрация реагирующих веществ;
  • поверхность соприкосновения реагирующих веществ (в гетерогенных реакциях);
  • температура;
  • действие катализаторов.

Теория активных столкновений позволяет объяснить влияние некоторых факторов на скорость химической реакции. Основные положения этой теории:

  • Реакции происходят при столкновении частиц реагентов, которые обладают определённой энергией.
  • Чем больше частиц реагентов, чем ближе они друг к другу, тем больше шансов у них столкнуться и прореагировать.
  • К реакции приводят лишь эффективные соударения, т.е. такие при которых разрушаются или ослабляются «старые связи» и поэтому могут образоваться «новые». Для этого частицы должны обладать достаточной энергией.
  • Минимальный избыток энергии, необходимый для эффективного соударения частиц реагентов, называется энергией активации  Еа.
  • Активность химических веществ проявляется в низкой энергии активации реакций с их участием. Чем ниже энергия активации, тем выше скорость реакции. Например, в реакциях между катионами и анионами энергия активации очень мала, поэтому такие реакции протекают почти мгновенно

Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость реакции

При повышении концентрации реагирующих веществ скорость реакции возрастает. Для того чтобы вступить в реакцию, две химические частицы должны сблизиться, поэтому скорость реакции зависит от числа столкновений между ними. Увеличение числа частиц в данном объеме приводит к более частым столкновениям и к возрастанию скорости реакции.

К увеличению скорости реакции протекающей в газовой фазе приведет повышение давления или уменьшение объема, занимаемого смесью.

На основе экспериментальных данных в 1867 г. норвежские учёные К. Гульдберг, и П Вааге и независимо от них в 1865 г. русский учёный Н.И. Бекетов сформулировали основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ-

Закон действующих масс (ЗДМ) :
Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях равных их коэффициентам в уравнении реакции. («действующая масса» – синоним современного понятия «концентрация»)

аА + bВ = cС +dD,   где k – константа скорости реакции

ЗДМ  выполняется только для элементарных химических реакций, протекающих в одну стадию. Если реакция протекает последовательно через несколько стадий, то суммарная скорость всего процесса определяется самой медленной его частью.

Выражения для скоростей различных типов реакций

ЗДМ относится к гомогенным реакциям. Если реакция геторогенная (реагенты находятся в разных агрегатных состояниях), то в уравнение ЗДМ входят только жидкие или только газообразные реагенты, а твердые исключаются, оказывая влияние только на константу скорости k.

Молекулярность реакции – это минимальное число молекул, участвующих в элементарном химическом процессе. По молекулярности элементарные химические реакции делятся на молекулярные (А →) и бимолекулярные (А + В →); тримолекулярные реакции встречаются чрезвычайно редко.

Скорость гетерогенных реакций

  • Зависит  от площади поверхности соприкосновения веществ, т.е. от степени измельчения веществ, полноты смешивания реагентов.
  • Пример — горение древесины. Целое полено горит на воздухе сравнительно медленно. Если увеличить поверхность соприкосновения дерева с воздухом, расколов полено на щепки, скорость горения увеличится.
  • Пирофорное  железо высыпают  на лист фильтровальной бумаги. За время падения частицы железа раскаляются и поджигают бумагу.

Влияние температуры на скорость реакции

В XIX веке голландский ученый Вант-Гофф опытным путем обнаружил, что при повышении температуры на 10 оС скорости многих реакций возрастают в 2-4 раза.

Правило Вант-Гоффа

При повышении температуры на каждые 10◦С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза.

Здесь γ (греческая буква «гамма») — так называемый температурный коэффициент или коэффициент Вант-Гоффа, принимает значения от 2 до 4.

Для каждой конкретной реакции температурный коэффициент определяется опытным путем. Он показывает, во сколько именно раз возрастает скорость данной химической реакции (и ее константа скорости) при повышении температуры на каждые 10 градусов.

Правило Вант-Гоффа используется для приближенной оценки изменения константы скорости реакции при повышении или понижении температуры. Более точное соотношение между константой скорости и температурой установил шведский химик Сванте Аррениус:

Чем больше Ea конкретной реакции, тем меньше (при данной температуре) будет константа скорости k (и скорость) этой реакции. Повышение Т приводит к увеличению константы скорости, это объясняется тем, что повышение температуры приводит к быстрому увеличению числа «энергичных» молекул, способных преодолевать активационный барьер Ea.

Влияние катализатора на скорость реакции

Можно изменить скорость реакции, используя специальные вещества, которые изменяют механизм реакции и направляют ее по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации.

Катализаторы – это вещества, участвующие в химической реакции и увеличивающие ее скорость, но по окончании реакции остающиеся неизменными  качественно и количественно.

Ингибиторы – вещества, замедляющие химические реакции.

Изменение скорости химической реакции или ее направления с помощью катализатора называют катализом.

Задания ЕГЭ по химии тест онлайн

Источник: http://himege.ru/skorost-reakcii/

Скорость химических реакций

Скорость химической реакции

Примеры решения задач…

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

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

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

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

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

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

Скорость гомогенной реакции

vгом = (ν2-ν1):(V(t2-t1)) = Δn:(V·Δt)

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

  • ν1 – кол-во молей вещества в момент времени t1;
  • ν2 – кол-во молей вещества в момент времени t2;

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

vгом= ±ΔC:(t2-t1) = ±(C2-C1):Δt, моль/(л·с)

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

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

Скорость гетерогенной реакции

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

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

Основные факторы, влияющие на скорость реакций:

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

Последние два пункта относятся к гетерогенным реакциям.

Природа реагирующих веществ

Необходимым условием химического взаимодействия между молекулами веществ является их столкновение друг с другом на “нужном” участке молекулы, называемом участком с высокой реакционной активностью.

Это как в боксе: если удар боксера приходится в перчатки соперника, то реакции не будет; а вот если удар приходится в голову соперника, то вероятность нокаута (реакции) значительно возрастает; а если при этом сила удара (сила соударений молекул) велика, то нокаут (реакция) становится неизбежным.

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

Температура реагентов

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

Согласно теории активации, в химической реакции могут принять участие лишь молекулы, обладающие энергией, которая превышает некую среднюю величину. Величина превышения средней энергии молекул носит название энергии активации.

Эта энергия необходима для ослабления химических связей в молекулах исходных веществ. Молекулы, обладающие необходимой избыточной энергией, что позволяет им вступать в реакцию, называются активными молекулами.

Чем выше температура, тем больше активных молекул, тем выше скорость реакции.

Зависимость скорости реакции от температуры характеризуется правилом Вант-Гоффа:
При повышении температуры на 10°C скорость большинства реакций возрастает в 2-4 раза

Математически правило Вант-Гоффа выражается следующей формулой:

  • γ – температурный коэффициент, показывающий увеличение скорости реакции при повышении температуры на 10°C;
  • v1 – скорость реакции при температуре t1;
  • v2 – скорость реакции при температуре t2;

Катализаторы

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

Изменение скорости химической реакции под воздействием катализатора называется катализом

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

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

Катализаторы могут ускорять реакцию в миллионы раз!

Различают два вида катализа:

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

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

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

Биологические катализаторы называются ферментами. Ферменты являются белками.

Размер частиц реагентов

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

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

Давление реагентов

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

Примеры решения задач…

Источник: https://prosto-o-slognom.ru/chimia/21_skorost_chim_r.html

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции – это величина, показывающая изменение массы одного из элементов (продукта или реагента) реакции за единицу времени, также, скорость выражется в концентрациях, долях и других единицах измерения.

Факторы

Существуют различные факторы, влияющие на скорость химической реакции. Реакции всегда протекают с разной скоростью, на скорость образования и разрыва связи влияют физические свойства: давление и температура.

С химической точки зрения, важным фактором является геометрия молекул, ведь не все молекулы могут хотя бы дотянуться друг до друга! Также, скорость химической реакции зависит от концентрации смешиваемых веществ и взаимодействия между смешиваемыми веществами.

Различное излучение, например, инфракрасное, также может повлиять на протекание реакции.

Если Вы поместите кусок меди (Cu) в стакан с раствором хлорного железа (FeCl3), то в первую очередь будут взаимодействовать молекулы на поверхности куска меди.

Вокруг куска меди образуются молекулы CuCl, которые не будут реагировать далее ни с чем и реакция остановится, если Вы взболтаете смесь, то молекулы CuCl распределятся по раствору и реакция продолжится, пока в растворе не закончатся хлорное железо либо медь. Поэтому всегда важно учитывать, как именно протекает реакция.

FeCl3 + Cu => FeCl2 + CuCl

Химическая кинетика изучает скорость протекания химической реакции и механизмы реакции. Скорость химической реакции – это показатель, на сколько быстро происходит формирование продуктов и поглощение реагентов.

Механизм реакции

Механизм реакции – это детальное представление всех этапов реакции с учётом продуктов, которые не присутствуют в результирующей смеси. Реакция может проходить в несколько этапов, например, экспериментально установлено, что следующая реакция протекает в два этапа:

2ICl(g) + H2(g) → 2HCl(g) + I2(g)
1. ICl(g) + H2(g) → HCl(g) + HI(g)
2. ICl(g) + HI(g) → HCl(g) + I2(g) Здесь, в скобочках, указаны агрегатные состояния веществ, как Вы уже знаете, агрегатное состояние вещества также влияет на скорость реакции, агрегатные состояния веществ обозначают: g – газообразное (gas); s – твёрдое (solid); l – жидкое (liquid)

Обратите внимание, что в первой реакции появляется продукт HI, который не присутствует ни в реагентах ни в получаемом веществе 2HCl + I2. Возникновение промежуточных продуктов может сильно сказываться на скорости химической реакции.

В качестве меры поглощения реагентов и возникновения продуктов используется их концентрация, концентрация может быть выражена в различных единицах измерения, например:

  • Молярность – моль/л
  • Моляльность – моль/кг
  • Масса вещества на один литр раствора
  • Мольная доля

В любом случае, концентрация обозначается квадратными скобками: [C], где C – вещество, концентрация которого измеряется.

Чтобы определить скорость изменения концентрации, мы можем замерять концентрацию веществ с неким интервалом, например, каждую секунду. Полученные данные мы можем представить в виде таблицы или графика и исходя из полученных данных, составить уравнение.

Скорость изменения концентрации вещества в реакции, это:
-d[A]/dt Для теоретической реакции aA + bB → cC + dD скорость изменения концентрации каждого реагента и каждого продукта будет:

-(1/a)(d[A]/dt) = -(1/b)(d[B]/dt) = (1/c)(d[C]/dt) = (1/d)(d[D]/dt)

Невозможно предсказать скорость изменения концентраций исходя только из уравнения химической реакции, изменение количества реагирующих веществ всегда устанавливается экспериментально.

Определение

Для того, что бы определить скорость превращения реагентов в химической реакции, необходимо провести ряд экспериментов, в которых будет изменяться только один параметр, например, температура. Мы проведём эксперименты при температуре 10, 50 и 100 градусов и сможем выдвинуть предположение о том, как температура влияет на скорость реакции.

Рассмотрим на следующем примере влияние концентрации вещества А на скорость реакции:

A → B

Проведём эксперимент в определённых условиях (фиксированные температура и давление, отсутствие солнечного света) для концентрации [A] = 1 моль/л. Определим время, за которое вещество A полностью превратится в вещество B.

Затем в тех же условиях проведём эксперимент для [A] = 2 моль/л и для [A] = 3 моль/л. Если скорость реакции будет соответственно увеличиваться в два и в три раза, то скорость прямо пропорциональна концентрации A, т.е. V ∝ [A] (V – скорость (velocity)).

Если при удвоении концентрации мы получим четверной прирост скорости, а утраивая – прирост в 9 раз, то V ∝ [A]2.

Порядок реакции

В данном превращении порядок реакции определяется степенью, в которой находится [A], т.е. для V ∝ [A] порядок реакции – 1, для V ∝ [A]2 порядок реакции – 2 и так далее. Порядок реакции – это не обязательно целое число, для V ∝ [A]0.63 порядок реакции – 0.63.

В общем случае, порядок реакции будет определяться как сумма степеней каждого реагента. Важно понимать, что изменение концентрации одного из компонентов реакции обозначает изменение концентрации других участников реакции.

Для реакции aA + bB + cC → dD справедливо выражение

-d[A]/dt • 1/a = -d[B]/dt • 1/b = -d[C]/dt • 1/c = +d[D]/dt • 1/d

Константа равновесия

Связь между V и [A] как правило можно выразить через константу k, т.е.

V = k • [A]n
где n – порядок реакции V = k • [A]n = -d[A]/dt ⇒ k • dt = – d[A]/[A]n Интегрируя, получаем: ∫(1/x)dx = ln(x) + C

для удобства расчётов, вместо C запишем ln[A]0, тогда

ln[A] = -kt + ln[A]0

Мы получили уравнение прямой y=mx+b, где y=ln[A] – концентрация А в момент времени t, m=-k – коэффициент взаимосвязи V и [A], x=t – время, b=ln[A]0 – начальная концентрация A.

Период превращения

Для реакции первого порядка мы можем получить время, за которое произошло превращение половины исходного вещества, то есть время для [A] = 1/2[A]0:

[A] = 1/2[A]0
kt = ln[A]0 – ln[A] = ln[A]0/ln[A] = ln2 ⇒ t ½ = ln(2)/k = 0.693/k
таким образом, для реакции первого рода, время превращения продукта не зависит от исходной концентрации

Аналогично может быть посчитан и другой период превращения, треть продукта или одна четвёртая часть или какая будет необходима.

Для реакции второго порядка или выше необходимо использовать более сложные математические модели, рассмотрим пример для реакции второго рода:

C → D
V ∝ [C]2 → -d[C]/dt = k[C]2
V = k[C]2 → 1/[C] = kt + 1/[C]0
t½ = 1/k[C]

Температура

Повышение температуры обозначает повышение внутренней энергии молекул системы, в результате, количество молекул, способных произвести некоторую реакцию, увеличивается.

Также, увелечение внутренней энергии провоцирует увеличение скорости движения молекул, что также способствует увеличению скорости реакции.

Но, в случае с ферментами (молекулы в живых организмах), реакция происходит при комфортных условиях, поэтому, в таких реакциях температура должна находится в определённом интервале.

Молекулярность

Теории о скорости реакции базировались на предположении, что для взаимодействия двух частиц необходимо что бы они столкнулись. Количество молекул, которые сталкиваются одновременно, назвается молекулярностью.

В зависимости от количества сталкивающихся молекул, различают: мономолекулярные (для одной), бимолекулярные (для двух молекул) и тримолекулярные реакции.

Реакции, в которых одновременно участвуют более трёх молекул на данный момент науке неизвестны.

Стерический фактор

От чего зависит, столкнутся молекулы между собой или нет? Во-первых, от их количества: чем выше концентрация, тем чаще молекулы встречаются.

Во-вторых, то, что молекулы столкнулись, не означает, что они вступят в реакцию, поскольку их геометрия может не позволить им реагировать друг с другом, в связи с чем было введён коэффициент, названый стерический фактор (steric factor), который показывает вероятность того, что при столкновении двух молекул произойдёт химическая реакция.

Источник: https://k-tree.ru/articles/himiya/obschaya_himiya/skorost_himicheskoi_reakcii

Тема №31 «Скорость химической реакции, ее зависимость от различных факторов.» | CHEM-MIND.com

Скорость химической реакции

Химические реакции протекают с различными скоростями: с малой скоростью — при образовании сталактитов и сталагмитов, со средней скоростью — при варке пищи, мгновенно — при взрыве. Очень быстро проходят реакции в водных растворах.

Определение скорости хи­мической реакции, а также выяснение ее зависимости от условий проведения про­цесса — задача химической кинетики — науки о законо­мерностях протекания хими­ческих реакций во времени.

Если химические реакции происходят в однородной сре­де, например в растворе или в газовой фазе, то взаимодействие реагирующих веществ происходит во всем объеме. Такие реак­ции называют гомогенными.

Скорость гомогенной реакции (vгомог) определя­ется как изменением количества вещества в еди­ницу времени в единице объема:

где Δn — изменение числа молей одного вещества (чаще всего исходного, но может быть и продукта реакции); Δt — интервал времени (с, мин); V — объем газа или раствора (л).

Поскольку отношение количества вещества к объему представляет собой молярную концентра­цию С, то

Таким образом, скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени:

если объем системы не меняется.

Если реакция идет между веществами, находя­щимися в разных агрегатных состояниях (напри­мер, между твердым веществом и газом или жид­костью), или между веществами, неспособными образовывать гомогенную среду (например, между несмешивающимися жидкостями), то она прохо­дит только на поверхности соприкосновения ве­ществ. Такие реакции называют гетерогенными.

Скорость гетерогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу вре­мени на единице поверхности.

где S — площадь поверхности соприкосновения ве­ществ (м2, см2).

Изменение количества ве­щества, по которому опреде­ляют скорость реакции, — это внешний фактор, наблюда­емый исследователем. По сути, все процессы осуществляются на микроуровне.

Очевидно, для того, чтобы какие-то частицы прореагировали, они прежде всего должны столкнуться, причем столкнуться эффективно: не раз­лететься, как мячики, в разные стороны, а так, чтобы в частицах разрушились или ослабли «старые связи» и смогли образоваться «новые», а для этого частицы должны обладать достаточной энергией.

Расчетные данные показывают, что, например, в газах столкновения молекул при атмосферно давлении исчисляются миллиардами за 1 секунду, то есть все реакции должны были бы идти мгновен­но. Но это не так. Оказывается, что лишь очень не­большая доля молекул обладает необходимой энер­гией, приводящей к эффективному соударению.

Минимальный избыток энергии, который долж­на иметь частица (или пара частиц), чтобы произо­шло эффективное соударение, называют энергией активацииEa.

Таким образом, на пути всех частиц, вступаю­щих в реакцию, имеется энергетический барьер, равный энергии активации Ea. Когда он малень­кий, то находится много частиц, которые могут его преодолеть, и скорость реакции велика.

В против­ном случае требуется «толчок».

Когда вы подноси­те спичку, чтобы зажечь спиртовку, вы сообщаете дополнительную энергию Ea, необходимую для эф­фективного соударения молекул спирта с молеку­лами кислорода (преодоление барьера).

Скорость химической реакции зависит от мно­гих факторов. Основными из них являются: при­рода и концентрация реагирующих веществ, дав­ление (в реакциях с участием газов), температура, действие катализаторов и поверхность реагирую­щих веществ в случае гетерогенных реакций.

Эндотермические и экзотермические реакции

Реакция метана с кислородом воздуха, как известно, сопровождается выделением большого количества тепла. Поэтому ее используют в быту для приготовления пищи, нагревания воды и отопления. Природный газ, поступающий в дома по трубам, на 98% состоит именно из метана. Реакция оксида кальция (СаО) с водой тоже сопровождается выделением большого количества тепла.

О чем могут говорить эти факты? При образовании новых химических связей в продуктах реакции выделяется большеэнергии, чем требуется на разрыв химических связей в реагентах. Избыток энергии выделяется в виде тепла, а иногда и света.

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + Q (энергия (свет, тепло));

СаО + Н2О = Са(ОН)2 + Q (энергия (тепло)).

Такие реакции должны протекать легко (как легко катится под гору камень).

Реакции, в которых энергия выделяется, называются ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМИ(от латинского «экзо» – наружу).

Например, многие окислительно-восстановительные реакции являются экзотермическими. Одна из таких красивых реакций — внутримолекулярное окисление-восстановление, протекающее внутри одной и той же соли — дихромата аммония (NH4)2Cr2O7:

(NH4)2Cr2O7 = N2 + Cr2O3 + 4 H2O + Q (энергия).

Другое дело – обратные реакции. Они аналогичны закатыванию камня в гору. Получить метан из CO2 и воды до сих пор не удается, а для получения негашеной извести СаО из гидроксида кальция Са(ОН)2 требуются сильное нагревание. Такая реакция идет только при постоянном притоке энергии извне:

Са(ОН)2 = СаО + Н2О — Q (энергия (тепло))

Это говорит о том, что разрыв химических связей в Ca(OH)2 требует большей энергии, чем может выделиться при образовании новых химических связей в молекулах CaO и H2O.

Реакции, в которых энергия поглощается, называются ЭНДОТЕРМИЧЕСКИМИ(от «эндо» – внутрь).

Концентрация реагирующих веществ

Изменение давления при участии в реакции га­зообразных веществ также приводит к изменению концентрации этих веществ.

Чтобы осуществилось химическое взаимодей­ствие между частицами, они должны эффективно столкнуться. Чем больше концентрация реагирую­щих веществ, тем больше столкновений и, соответ­ственно, выше скорость реакции. Например, в чи­стом кислороде ацетилен сгорает очень быстро.

При этом развивается температу­ра, достаточная для плавле­ния металла. На основе боль­шого экспериментального материала в 1867 г. норвеж­цами К. Гульденбергом и П. Вааге и независимо от них в 1865 г. русским ученым Н. И.

Бекетовым был сформулирован основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

Скорость химической реакции пропорциональ­на произведению концентраций реагирующих ве­ществ, взятых в степенях, равных их коэффици­ентам в уравнении реакции.

Этот закон называют также законом действую­щих масс.

Для реакции А + В = D этот закон выразится так:

Для реакции 2А + В = D этот закон выразится так:

Здесь СА, СВ — концентрации веществ А и В (моль/л); k1 и k2 — коэффициенты пропорцио­нальности, называемые константами скорости ре­акции.

Физический смысл константы скорости реак­ции нетрудно установить — она численно равна скорости реакции, в которой концентрации реаги­рующих веществ равны 1 моль/л или их произ­ведение равно единице. В таком случае ясно, что константа скорости реакции зависит только от тем­пературы и не зависит от концентрации веществ.

Закон действующих масс не учитывает кон­центрации реагирующих веществ, находящихся в твердом состоянии, т. к. они реагируют на по­верхности и их концентрации обычно являются постоянными.

Например, для реакции горения угля выражение скорости реакции должно быть запи­сано так:

т. е. скорость реакции пропорциональна только концентрации кислорода.

Если же уравнение реакции описывает лишь суммарную химическую реакцию, проходящую в несколько стадий, то скорость такой реакции мо­жет сложным образом зависеть от концентраций исходных веществ. Эта зависимость определяется экспериментально или теоретически на основании предполагаемого механизма реакции.

Действие катализаторов

Можно увеличить скорость реакции, используя специальные вещества, которые изменяют меха­низм реакции и направляют ее по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией актива­ции. Их называют катализаторами (от лат. katalysis — разрушение).

Катализатор действует как опытный провод­ник, направляющий группу туристов не через вы­сокий перевал в горах (его преодоление требует много сил и времени и не всем до­ступно), а по известным ему обходным тропам, по кото­рым можно преодолеть гору значительно легче и быстрее.

Правда, по обходному пу­ти можно попасть не совсем туда, куда ведет главный перевал. Но иногда именно это и требуется! Именно так действуют катализаторы, ко­торые называют селективны­ми. Ясно, что нет необходи­мости сжигать аммиак и азот, зато оксид азота (II) находит использование в производстве азотной кислоты.

Катализаторы — это вещества, участвующие в химической реакции и изменяющие ее скорость или направление, но по окончании реакции остаю­щиеся неизменными количественно и качественно.

Изменение скорости химической реакции или ее направления с помощью катализатора называ­ют катализом. Катализаторы широко использу­ют в различных отраслях промышленности и на транспорте (каталитические преобразователи, пре­вращающие оксиды азота выхлопных газов авто­мобиля в безвредный азот).

Различают два вида катализа.

Гомогенный катализ, при котором и катализа­тор, и реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии (фазе).

Гетерогенный катализ, при котором катализа­тор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. Например, разложение пероксида водорода в присутствии твердого катализатора оксида мар­ганца (IV):

Сам катализатор не рас­ходуется в результате реак­ции, но если на его поверх­ности адсорбируются другие вещества (их называют каталитическими ядами), то поверхность становится не­работоспособной, требуется регенерация катализатора. Поэтому перед проведени­ем каталитической реакции тщательно очищают исход­ные вещества.

Например, при производстве серной кислоты контактным способом используют твердый катали­затор — оксид ванадия (V) V2O5:

При производстве метанола используют твер­дый «цинкохромовый» катализатор (8ZnO • Cr2O3 х CrO3):

Очень эффективно работают биологические ка­тализаторы — ферменты. По химической природе это белки. Благодаря им в живых организмах при невысокой температуре с большой скоростью про­текают сложные химические реакции.

Известны другие интересные вещества — ин­гибиторы (от лат. inhibere — задерживать). Они с высокой скоростью реагируют с активными ча­стицами с образованием малоактивных соедине­ний. В результате реакция резко замедляется и за­тем прекращается. Ингибиторы часто специально добавляют в разные вещества, чтобы предотвратить нежелательные процессы.

Например, с помощью ингибиторов стабилизи­руют растворы пероксида водорода.

Природа реагирующих веществ (их состав, строение)

Значение энергии активацииявляется тем факто­ром, посредством которого сказывается влияние при­роды реагирующих веществ на скорость реакции.

Если энергия активации 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.

Если энергия активации велика (> 120 кДж/моль), то это означает, что лишь ничтожная часть стол­кновений между взаимодействующими частицами приводит к реакции. Скорость такой реакции поэтому очень мала. Например, протекание реакции синтеза аммиака при обычной температуре заме­тить практически невозможно.

Если энергии активации химических ре­акций имеют промежуточные значения (40­120 кДж/моль), то скорости таких реакций будут средними. К таким реакциям можно отнести взаи­модействие натрия с водой или этиловым спиртом, обесцвечивание бромной воды этиленом, взаимо­действие цинка с соляной кислотой и др.

Поверхность соприкосновения реагирующих веществ

Скорость реакций, иду­щих на поверхности веществ, т. е. гетерогенных, зависит при прочих равных условиях от свойств этой поверхности. Известно, что растер­тый в порошок мел гораздо быстрее растворяется в соля­ной кислоте, чем равный по массе кусочек мела.

Увеличение скорости реакции объясняется в первую очередь увеличением поверхности со­прикосновения исходных веществ, а также рядом других причин, например, нарушением структуры «правильной» кристаллической решетки. Это при­водит к тому, что частицы на поверхности обра­зующихся микрокристаллов значительно реакци­онноспособнее, чем те же частицы на «гладкой» поверхности.

В промышленности для проведения гетероген­ных реакций используют «кипящий слой», чтобы увеличить поверхность соприкосновения реагиру­ющих веществ, подвод исходных веществ и отвод продуктов. Например, при производстве серной кислоты с помощью «кипящего слоя» проводят об­жиг колчедана.

Шпаргалка

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева Таблица растворимости

Источник: http://www.chem-mind.com/2017/04/18/%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0-%E2%84%9631-%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C-%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B9-%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B8/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть