Швидкість хімічних реакцій. Дія каталізаторів
Швидкість хімічної реакції визначається кількістю речовини, прореагировавшего в одиницю часу в одиниці об’єму.
Якщо при постійних обсязі і температурі концентрація одного з реагуючих речовин зменшилася від с1 до с2 за певний проміжок часу від t1 до t2, то швидкість хімічної реакції дорівнює:
V= – (c2 – c1 ) / (t2 – t1 )=∆c/∆t,
Знак “-” у правій частині рівняння означає: при мірі протікання реакції (t2 – t1) > 0 концентрація реагуючих речовин зменшується (с2 – с1 < 0), а так як швидкість реакції не може бути від’ємною, перед рівнянням ставиться знак “-“.
Концентрація виражається в моль/л, а швидкість – моль/(л-с).
Швидкість хімічної реакції залежить:
- Від природи реагуючих речовин; Від умов, в яких вона протікає (концентрація, температура, наявність каталізатора).
Природа хімічних реагентів має ключове вплив на швидкості реакцій. (Наприклад, водень реагує із фтором при кімнатній температурі і дуже енергійно, а при взаємодії з йодом – реакцію треба проводити при значному нагріванні).
Кількісна залежність між швидкістю реакції та молярної концентрації реагуючих речовин описується основним законом хімічної кінетики – законом діючих мас.
Закон діючих мас: швидкість хімічної реакції при постійній температурі пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин.
AA + bB +… → cC + dD +….
Відповідно до закону швидкість хімічної реакції може бути представлена в наступному вигляді:
V= k[A]a[B]vB,
Де k – коефіцієнт, що не залежить від концентрації, називається константою швидкості реакції,
VA і vB – постійні числа – показники порядку швидкості реакції по реагенту А і В.
Сума vA + vB = v називається загальним (спільним) порядком реакції.
Слід зазначити, що показники порядку швидкості реакції vA і vB про реагентів ніколи не дорівнюють стехіометричним коефіцієнтам a і b (виключення може бути тільки в одному випадку – якщо реакція являє собою елементарний акт).
Для складних реакцій показники порядку реакції не дорівнюють стехіометричним коефіцієнтам і визначаються тільки експериментально.
Така залежність справедлива для газів і рідин (гомогенні системи). Для гетерогенної реакції (з участю твердих речовин) швидкість реакції залежить ще і від величини поверхні зіткнення між реагують речовинами. Будь-яке збільшення площі поверхні призводить до збільшення швидкості реакції.
Вплив каталізаторів на швидкість хімічної реакції.
Каталізатор – речовина, що змінює швидкість хімічної реакції, але залишається незмінним після того, як хімічна реакція закінчується.
Вплив каталізаторів на швидкість реакцій називається каталізом. Коли реагенти і каталізатор перебувають в одному агрегатному стані, то мова йде про гомогенном каталізі. При гетерогенном каталізі реагенти і каталізатор перебувають у різних агрегатних станах (зазвичай, каталізатор – у твердому, а реагенти – в рідкому або газоподібному).
Механізм дії каталізаторів (спрощений).
В ході хімічної реакції каталізуються відбувається утворення проміжних продуктів (утворення зв’язку між каталізатором і реагує речовиною).
А +В = АВ,
Реакція без каталізатора йде дуже повільно, а при додаванні каталізатора До, реагує з одним з вихідних речовин (наприклад, з А), утворюючи дуже нетривке і реакційноздатне проміжне з’єднання АК:
А + ДО = АК,
Це проміжне з’єднання реагує з іншим вихідною речовиною, утворюючи кінцевий продукт АВ і каталізатор виходить у первісному вигляді:
АК + В = АВ + К.
Каталізатор може брати участь у реакції нескінченне число разів. Але слід врахувати, що в реакціях можуть бути присутніми сполуки, що знижують активність каталізатора. Такі речовини називається каталітичними отрутами, а сам процес – отруєнням.
Гомогенний каталіз.
2SO2 + O2= 2SO3 (1),
(А + В = АВ),
Каталізатор – NO.
O2 + 2NO = 2NO2 (2),
(В + К = ВК),
2NO2 + 2SO2 = 2SO3+ 2NO (3),
(ВК + А = АВ + ДО).
Гетерогенний каталіз.
При гетерогенном каталіз відбувається адсорбція реагуючих речовин поверхнею каталізатора (вона неоднорідна, і тут розташовані активні центри, під дією яких зв’язок між атомами реагентів послаблюється, молекула деформується, а іноді навіть розпадається).
2SO2 + O2 = 2SO3,
Каталізатор V2O5, Pt.
SO2 + V2O5 = SO3 + 2VO2,
2VO2 + ½ O2= V2O5.
Для каталізатора характерна вибірковість дії (певний каталізатор для певної реакції). Підбір оптимальних каталізаторів є нагальною проблемою багатьох виробництв: переробка газів, крекінг вуглеводнів, нафтова промисловість, отримання полімерів, каучуку і т. д.
У живій природі каталізатори також відіграють велику роль, тільки називаються вони ферментами.
(2 votes, average: 5.00 out of 5)