Швидкість хімічних реакцій
Хімічні реакції протікають з різними швидкостями. Дуже швидко проходять реакції у водних розтяп рах. практично миттєво. Змішаємо розчини хлориду барію і сульфату натрію – сульфат барію у вигляді осаду образу-ється негайно. Швидко, але не миттєво горять сірка, магній розчиняється а соляній кислоті, етилен знебарвлює бромную воду. Повільно утворюється іржа на залізних предметах, Іллет на мідних і бронзових виробах, гниє листя, руйнуються зуби.
Передбачення швидкості хімічної реакції, а також з’ясування її залежності від умов проведення процесу – завдання хімічної кінетики ~ науки про закономірності перебігу хімічних реакцій в часі.
Якщо хімічні реакції відбуваються в однорідному середовищі, наприклад і розчині або в газовій фазі, то взаємодія реагуючих речовин відбувається у всьому обсязі. Такі реакції, як ви знаєте, називають гомогенними.
Швидкість гомогенної реакції визначається як зміна кількості речовини в одиницю часу в одиниці об’єму:
Швидкість хімічних реакцій
– Зміна числа молей одного з речовин (найчастіше вихідного, до може бути і продукту реакції);
– Інтервал часу (с, хв);
– Обсяг газу або розчину (л).
Оскільки відношення кількості речовин до обсягу являє собою молярна концентрація С, то
Швидкість хімічних реакцій
Таким чином, швидкість гомогенної реакції визначаються ється як зміна концентрації однієї з речовин в одиницю часу:
Швидкість хімічних реакцій
Якщо обсяг системи не змінюється.
Вели реакція йде між речовинами, що знаходяться в різних агрегатних станах (наприклад, між твердою речовиною і газом або рідиною) пли між речовинами, нездатними утворювати однорідну середу (наприклад, між несмешівающімнея рідинами), то вона проходить тільки на поверхні зіткнення речовин. Такі реакції, як ви також знаєте, називають гетерогенними.
Швидкість гетерогенної реакції визначається як зміна кількості речовини в одиницю часу на одиниці поверхні.
Якщо при будь-якої протікає реакції експериментально вимірювати концентрацію вихідної речовини в різні моменти часу, то графічно можна відобразити її зміна за допомогою кінетичної кривої для цього реагенту.
Швидкість реакції не є постійною величиною. Ми вказуємо лише деяку середню швидкість даної реакції в певному інтервалі часу
Уявіть собі, що ми визначаємо швидкість реакції:
Н2 + Сl2 -> 2НСl
а) зі зміни концентрації Н2.
б) по іаиенеіню концентрації HCl.
Однакові ми отримаємо значення? Адже з 1 моль H2 утворюється 2 моль HCl, тому і швидкість в разі б) виявиться більше в два рази. Отже, значення швидкості реакції залежить і від того, з якого речовині її визначають.
Зміна кількості речовини, за яким визначають швидкість реакції, – це зовнішній фактор, що спостерігається дослідником. По суті, всі процеси здійснюються на мікрорівні. Очевидно, для того щоб якісь частинки прореагували, вони перш за все повинні зіткнутися. Причому зіткнутися ефективно: чи не розлетітися як м’ячики в різні боки, а так, щоб в частинках зруйнувалися або ослабли – старі зв’язки “і змогли утворитися” нові “, а для цього частинки повинні мати достатню енергією.
Розрахункові дані показують, що. наприклад, в газах частота зіткнень молекул при атмосферному роздавлений обчислюється мільярдами за I секунду, тобто все реакції повинні були б іти миттєво. Але ж це не так! Виявляється, що лише дуже невелика частка молекул володіє необхідною енергією, що приводить до ефективного зіткненню.
Мінімальний надлишок енергії, який повинна мати частинка (або пара частинок), щоб відбулося ефективне зіткнення, називають енергією активації Г.
Таким чином, на шляху всіх дріботів, що вступають в реакцію, є енергетичний бар’єр, який дорівнює енергії активації £ і. Коли він маленький, то знаходиться багато частинок, які можуть його подолати, до швидкість реакції велика. В іншому випадку потрібно “поштовх”. Коли ви підносите сірник, щоб запалити спиртівку, ви повідомляєте додаткову енергію Єв, необхідну для ефективного зіткнення молекул спирту з молекулами кисню (подолання бар’єру).
Звернемося до реакції взаємодії двох газоподібних речовин – водню (Н2) і йоду (I2):
Onov4.jpg
Це екзотермічна реакція. Значення Е, знаходиться експериментально.
Чим же визначається значення енергії активації? Як вона пов’язана з природою реагуючих речовин? Чи можна по анергии активації суд1гть про можливий механізм реакції?
Для переходу нє вихідного стану в кінцевий стан молекули повинні зіткнутися ефективно. Реагують тільки частинки, що володіють достатньою енергією, тобто активні частинки. Для переходу в активний стан (подолання певного онергетіческого бар’єру) витрачається К. Активні частинки стикаються і утворюють проміжне активна речовина.
Це перехідний стан називають активованим комплексом. У ньому одночасно розриваються старі зв’язки Н-Н і I-I і начиняють утворюватися нові хімічні зв’язки Н I. Такі комплекси існують недовго, їх розпад призводить до утворення продукту реакції.
Енергія, витрачена на активацію молекул, виділяється при освіти продуктів реакції. Процес утворення иодоводорода звернемо.
Це ендотермічна реакція.
Зворотна реакція також протікає через проміжне стан – освіту активованого комплексу.
Зверніть увагу на те, що Еп для ендотермічної реакції більше Е, для екзотермічної реакції на величину теплоти ефекту, якщо розглядають оборотний процес (як в нашому прикладі). Для ендотермічних реакцій Е, не може бути дорівнює нулю. Для екзотермічної реакції Е, може бути равнв нулю.
На закінчення зробимо висновок: багато можливі реакції практично ие йдуть, так як висока енергія активації.
Це має величезне значення для життя. Уявіть, що б трапилося, якби пса термодинамічно дозволені реакції могли йти, не маючи ніякого енергетичного бар’єру (енергії активації). Кисень повітря прореагував би з усім, що може горіти або просто окислюватися. “Постраждали” б все органічні речовини, вони перетворилися б на вуглекислий газ СО2 і воду Н20.
Таким чином, навколишній світ і ми самі існуємо тільки завдяки наявності енергії активації, не дозволяю щей реакцій йти зі значною швидкістю.
Швидкість хімічної реакції залежить від багатьох факторів. Основними з них є: природі н концентрація реагуючих речовин, тиск (в реакціях за участю газів), температура, дія каталізаторів і поверхню реагуючих речовин в разі гетерогенних реакцій.
Розглянемо вплив кожного з цих факторів на швидкість хімічної реакції.
Природа реагуючих речовин (їх склад, будова)
Значення енергії активації є тим фактором, за допомогою якого позначається вплив природи реагуючих речовин на швидкість реакції.
Якщо енергія активації мала (- 40 кДж / моль), то це означає, що значна частина зіткнень між частинками реагують речовин призводить до їх взаємодії. і швидкість такої реакції дуже велика. Всі реакції іонного обміну протікають практично миттєво, бо в цих реакціях беруть участь разноименно заряджені іони, і енергія активації в цих випадках мізерно мала.
Якщо енергія активації велика (- 120 кДж / моль). то це означає, що лише незначна частина зіткнень між в. чан, \ ш діючими частинками призводить до реакції. Швидкість такої реакції тому дуже мала. Наприклад, протікання реакції синтезу аміаку при звичайній температурі помітити практично неможливо.
Якщо енергії активації хімічних реакцій мають проміжні значення (40 * 120 кДж / моль), то швидкості будуть середніми. До таких реакцій можна віднести взаємодію натрію г водою або етиловим спиртом, знебарвлення бромної води етиленом, взаємодія цинку з соляною кислотою і ін.
температура
Вам відомо, що при підвищенні телгаератури в більшості випадків швидкість хімічної реакції значно збільшується.
У минулому столітті голландський хімік Я. X. Вант-Гофф сформулював правило:
Підвищення температури на кожні 10 ° С призводить до збільшення швидкості реакції в 2 4 рази (ці величину називають температурним коефіцієнтом реакції).
При підвищенні температури середня швидкість молекул, їх енергія, число зіткнень збільшуються незначно, зате різко підвищується частка активних молекул, що беруть участь в ефективних зіткненнях, що долають енергетичний бар’єр реакції.
Однак для збільшення швидкості реакції підвищення температури не завжди можна застосувати, так як вихідні речовини можуть почати розкладатися, випаровуватися розчинники або самі речовини і т. Д.
Концентрації реагуючих речовин
Зміна тиску за участю в реакції газоподібних речовин також призводить до зміни концентрації цих речовин.
Щоб здійснилося хімічну взаємодію між якимись частками, вони повинні ефективно яолввутьоя. Чим більше концентрація реагуючих речовин, тим більше зіткненні і відповідно швидкість реакції. Наприклад, в чистому кисні ацетилен згоряє дуже швидко. При цьому розвивається температура, достатня для плавлення металу. На основі великого експериментального матеріалу в 1867 р норвежцями К. Гульдбергом і П. Вааге і незалежно від них в 1865 р російським ученим Н. І. Бекетовим був сформулювавши основний закон хімічної кінетики, що встановлює залежність швидкості реакції від концентрацій реагуючих речовин:
Швидкість хімічної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих її речовин, взятих у ступенях, рівних їх коефіцієнтам в рівнянні реакції.
Цей закон називають також законом діючих мас. Для реакції А + В – Про цей закон виразиться так:
Onov5.jpg
Фізичний сенс константи швидкості реакції неважко встановити – вона чисельно дорівнює швидкості реакції, в якій концентрації реагуючих речовин дорівнюють 1 моль / л або їх добуток дорівнює одиниці. В такому випадку ясно, що константа швидкості реакції залежить тільки від температури і не залежить від концентрації речовин.
Закон діючих мас не враховує концентрації реагуючих речовин, що знаходяться в твердому стані, так як вони реагують на поверхні і їх концентрації зазвичай є постійними.
Якщо ж рівняння реакції описує лише сумарну хімічну реакцію, що проходить в кілька стадій, то швидкість такої реакції може складним чином залежати від концентрації вихідних речовин. – Уто Залежність визначається експериментально або теоретично на підставі передбачуваного механізму реакції.
дія каталізаторів
Можна збільшити швидкість реакції, використовуючи спеціальні речовини, які змінюють механізм реакції і направляють її по енергетично більш вигідним шляху з меншою анергією активації. Їх називають каталізаторами (від лат. – Руйнування).
Каталізатор діє як досвідчений провідник, що направляє групу туристів не через високий перевал в горах (його подолання вимагає багато сил і часу і не всім доступно), але відомим йому обхідним стежкам, за якими можна подолати гору значно легше і швидше. Правда, по обхідному шляху можна потрапити не зовсім туди, куди веде головний перевал. Але іноді саме це і потрібно! Саме так діють каталізатори, які наливають селективними. Ясно, що немає необхідності спалювати аміак в азот, зате оксид азоту знаходить використання у виробництві азотної кислоти.
Каталізатори – це речовини, які беруть участь в хімічній реакції і змінюють її швидкість або напрямок, але після закінчення реакції залишаються незмінними якісно і кількісно.
Розрізняють два види каталізу.
Гомогенний каталіз, при якому і каталізатор, і реагують речовини перебувають а одному агрегатному стані (фазі).
Гетерогенний каталіз, при якому каталізатор до реагують речовини перебувають в різних фазах. Наприклад, розкладання пероксиду водню в присутності твердого каталізатора оксиду марганцю.
Як і в випадку гомогенного каталізу. При гетерогенному квтвліле реакція протікає через активні проміжні комплекси.
Сам каталізатор не витрачається в результаті реакції, але якщо на його поверхні адсорбуються інші речовини (їх називають каталитическими отрутами), то поверхня стає нероботоспособной потрібно регенерація каталізатора. Тому перед проведенням каталітичної реакції ретельно очищають вихідні речовини.
При виробництві метанолу використовують твердий цинк.
Дуже. Ефективність працюють біологічні каталізатори – ферменти. Як ви пам’ятаєте, за хімічною природою це білки. Ьллюдярі їм в живих організмах при невисокій температурі з великою швидкістю протікає безліч складних хімічних реакцій. Ферменти відрізняються особливою специфічністю, кожен з них прискорює тільки свою реакцію, що йде в потрібний час і в потрібному місці з виходом, близьким до 100%. Створення аналогічні * ферментам штучних катав і заторів – мрія хіміків!
Порівняйте ефективність ферменту катав али з іншими каталізаторами в процесі розкладання Н2 й водному розчині за даними таблиці 13.
Ви, звичайно, чули і про інші цікаві речовинах – інгібітори (від лат. – Затримувати). Вони дуже швидко реагують з активними частинками з утворенням малоактивних сполук. В результаті швидкість реакції різко сповільнюється і вона припиняється. Інгібітори часто спеціально додають в різні речовини, щоб запобігти небажаним процеси.
Наприклад, за допомогою інгібіторів стабілізують розчини пероксиду водню, мономери для запобігання передчасної полімерна цин. соляну кислоту, щоб була можлива її транспортування в сталевий тарі. Інгібітори містяться і в живих організмах, вони пригнічують різні шкідливі реакції окислення в клітинах тканин.
Швидкість хімічних реакцій
Поверхня зіткнення реагуючих речовин
Швидкість реакцій, що йдуть иа поверхні речовин, то ость гетерогенних, залежить при щючіх рівних умовах від властивостей зтой поверхні. Відомо, що розтертий в порошок крейда набагато швидше розчиняється в соляній кислоті, ніж за масою шматочок крейди.
Збільшення швидкості реакції пояснюється в першу чергу збільшенням поверхні дотику вихідних речовин, в також рядом інших причин, наприклад порушенням структури правильної кристалічної решітки. Це призводить до того, що частки на поверхні утворюються мікрокристалів значно реакціоннеспособнее, ніж ті ж частки на гладкій поверхні.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)