Швидкість хімічних реакцій

1. Швидкість гомогенної реакції
2. Швидкість гетерогенної реакції
3. Природа реагуючих речовин
4. концентрація реагентів
5. температура реагентів
6. каталізатори
7. Розмір частинок реагентів
8. тиск реагентів

Приклади розв'язання задач ...

У різних хімічних реакцій різна швидкість. Деякі реакції протікають протягом часток секунди, для здійснення інших потрібні місяці, а то й роки. Швидкість протікання хімічних реакцій вивчає хімічна кінетика.

Основні поняття, з якими оперує хімічна кінетика - це хімічна система і фаза:

• Хімічна система - речовина (сукупність речовин);
• Хімічна фаза - частина системи, відокремлена від інших частин поверхнею розділу.

Системи, що складаються з однієї фази, називаються однорідними або гомогенними, наприклад, газові суміші або розчини. Реакції, що протікають в гомогенних системах, називаються гомогенними реакціями, такі реакції протікають у всьому обсязі суміші.

Системи, що складаються з декількох фаз, називаютя неоднорідними або гетерогенними, наприклад, рідина + тверда речовина. Реакції, що протікають в гетерогенних системах, називаються гетерогенними реакціями, такі реакції протікають толькл на поверхні розділу фаз.

Швидкість гомогенної реакції

Швидкістю гомогенної реакції називають кількість речовини (ν), що утворюється в результаті реакції за одиницю часу (t) в одиниці об'єму системи (V):

• ν1 - кількість молей речовини в момент часу t1;
• ν2 - кількість молей речовини в момент часу t2;

Мольн-об'ємна концентрація речовини (С, моль / л) - ставлення кількості молей речовини (ν) до всього обсягу реакційної суміші (V): С = ν / V.

Швидкість гомогенної реакції дорівнює зміні концентрації реагує речовини в одиницю часу.

У тому випадку, якщо мова йде про концентрацію одного з продуктів реакції, в вираженні ставиться знак "плюс", якщо про концентрацію одного з искодного речовин - знак "мінус".

Швидкість гетерогенної реакції

Як вже було сказано вище, головна відмінність гетерогенних реакцій від гомогенних полягає в тому, що реакція відбувається на кордоні розділу фаз.

Швидкістю гетерогенної реакції (vгет) називається кількість речовини (ν), що утворюється за одиницю часу (t) на одиниці поверхні розділу фаз (S).

Основні фактори, що впливають на швидкість реакцій:

• природа реагуючих речовин;
• концентрація;
• температура;
• каталізатори;
• розміри частинок реагентів;
• тиск.

Останні два пункти відносяться до гетерогенним реакціям.

Природа реагуючих речовин

Необхідною умовою хімічної взаємодії між молекулами речовин є їх зіткнення один з одним на "потрібному" місці молекули, званому ділянкою з високою реакційною активністю. Це як в боксі: якщо удар боксера доводиться в рукавички суперника, то реакції не буде; а ось якщо удар доводиться в голову суперника, то ймовірність нокауту (реакції) значно зростає; а якщо при цьому сила удару (сила зіткнень молекул) велика, то нокаут (реакція) стає неминучим.

Виходячи з вищесказаного, можна зробити висновок, чим складніше молекула, тим її високореактивний ділянку менше. Звідси, чим більше і складніше молекули реагуючих речовин, тим менше швидкість реакції.

концентрація реагентів

Швидкість реакції прямо пропорційна числу зіткнень молекул. Чим вище концентрація реагентів, тим більше зіткнень, тим вище швидкість хімічної реакції. Наприклад, горіння в чистому кисні відбувається набагато швидше, ніж на звичайному повітрі.

Однак, слід сказати, що в складних реакціях, що протікають в декілька стадій; така залежність не дотримується. Це дозволяє визначити, який із реагентів не задіяний найповільнішої стадії реакції, яка і визначає саму швидкість реакції.

Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин виражається законом діючих мас, який був відкритий в 1867 р норвезькими вченими Гульдбергом і Вааге.

Швидкість (v) умовної реакції, описуваної рівнянням aA + bB = cC + dD, відповідно до закону діючих мас, буде обчислюватися за формулою, яка називається кінетичного рівняння реакції:

• [A], [B] - концентрації вихідних речовин;
• k - константа швидкості реакції, рівна швидкості даної реакції при концентраціях реагуючих речовин, що дорівнює 1 моль кожна.

k не залежить від концентрації реагуючих речовин, але залежить від їх природи і температури.

За кінетичного рівняння реакції можна визначити швидкість зміни реакції в залежності від зміни концентрації реагуючих речовин.

Приклади кінетичних рівнянь:

Зверніть увагу, що в кінетичні рівняння не входить концентрації твердих речовин, а тільки газоподібних і розчинених.

температура реагентів

При підвищенні температури молекули рухаються швидше, звідси зростає кількість їх зіткнень один з одним. Крім цього, збільшується кінетична енергія молекул, що підвищує ефективність зіткнень, які в кінцевому рахунку і визначають швидкість реакції.

Відповідно до теорії активації, в хімічній реакції можуть взяти участь лише молекули, що володіють енергією, яка перевищує якусь середню величину. Величина перевищення середньої енергії молекул носить назву енергії активації. Ця енергія необхідна для ослаблення хімічних зв'язків в молекулах вихідних речовин. Молекули, що володіють необхідною надлишкової енергією, що дозволяє їм вступати в реакцію, називаються активними молекулами. Чим вище температура, тим більше активних молекул, тим вище швидкість реакції.

Залежність швидкості реакції від температури характеризується правилом Вант-Гоффа:

Математично правило Вант-Гоффа виражається наступною формулою:

• γ - температурний коефіцієнт, що показує збільшення швидкості реакції при підвищенні температури на 10 ° C;
• v1 - швидкість реакції при температурі t1;
• v2 - швидкість реакції при температурі t2;

каталізатори

Каталізатори - це речовини, які впливають на швидкість реакції, але при цьому самі не витрачаються.

Реакції, що протікають за участю каталізаторів, звуться каталітичних реакцій.

Основна дія каталізатора - зниження енергії активації реакції, в результаті чого зростає кількість ефективних зіткнень молекул.

Каталізатори можуть прискорювати реакцію в мільйони разів!

Розрізняють два види каталізу:

• гомогенний (однорідний) каталіз - каталізатор і реагенти утворюють одну фазу: газ або розчин;
• гетерогенний (неоднорідний) каталіз - каталізатор перебуває у вигляді самостійної фази.

Механізм каталітичних реакцій дуже складний і до кінця не відомий. Згідно з однією з наукових гіпотез, в каталітичних реакціях каталізатор і реагент вступають в реакцію з утворенням проміжного з'єднання, яке гороаздо активніше реагує з іншим вихідним речовиною з утворенням кінцевого продукту реакції, при цьому сам каталізатор виділяється у вільному стані.

Біологічні каталізатори називаються ферментами. Ферменти є білками.

Розмір частинок реагентів

Візьмемо сірник і піднесемо її до шматка вугілля. Навряд чи вугілля встигне спалахнути, поки сірник не перестане. Подрібнимо вугілля і повторимо експеримент - вугільний пил не просто загориться, а дуже швидко запалає - станеться вибух (основна небезпека в вугільних шахтах). Що ж відбувається?

Подрібнивши вугілля, ми тим самим різко збільшимо площу його поверхні. Чим більше площа поверхні, на якій відбуваються зіткнення молекул, тим вище швидкість реакції.

тиск реагентів

Тиск газоподібних реагентів аналогічно їх концентрації - чим вище тиск - тим вище концентрація - тим вище швидкість реакції, тому що кількість зіткнень молекул зростає. Як і концентрація, тиск реагентів не «працює» в складних реакціях.

Приклади розв'язання задач ...