Какво определя скоростта на химичната реакция. Химична кинетика. Скоростта на химичните реакции

Скоростта на химичните реакции, нейната зависимост от различни фактори

Хомогенни и хетерогенни химични реакции

Химичните реакции протичат с различни скорости: с ниска скорост - по време на образуването на сталактити и сталагмити, със средна скорост - при готвене на храна, незабавно - по време на експлозия. Реакциите във водни разтвори протичат много бързо, почти мигновено. Смесваме разтвори на бариев хлорид и натриев сулфат - веднага се образува бариев сулфат под формата на утайка. Сярата изгаря бързо, но не моментално, магнезият се разтваря в солна киселина, етиленът обезцветява бромната вода. Бавно се образува ръжда върху железни предмети, плака върху медни и бронзови продукти, листата бавно гният и зъбите се унищожават.

Предсказването на скоростта на химичната реакция, както и изясняването на нейната зависимост от условията на процеса, е задача химична кинетика— наука за закономерностите на хода на химичните реакции във времето.

Ако химичните реакции протичат в хомогенна среда, например в разтвор или в газова фаза, тогава взаимодействието на реагентите се извършва в целия обем. Такива реакции, както знаете, се наричат хомогенен.

Скоростта на хомогенна реакция ($v_(homog.)$) се определя като промяна в количеството вещество за единица време на единица обем:

$υ_(homog.)=(∆n)/(∆t V),$

където $∆n$ е изменението на броя молове на едно вещество (най-често първоначалното, но може да бъде и продуктът на реакцията); $∆t$ — времеви интервал (s, мин.); $V$ е обемът газ или разтвор (l).

Тъй като отношението на количеството вещество към обема е моларната концентрация $C$, тогава

$(∆n)/(V)=∆C.$

По този начин, хомогенна скорост на реакциятасе определя като промяна в концентрацията на едно от веществата за единица време:

$υ_(homog.)=(∆C)/(∆t)[(mol)/(l s)]$

ако обемът на системата не се променя. Ако възникне реакция между вещества в различни агрегатни състояния (например между твърдо вещество и газ или течност) или между вещества, които не могат да образуват хомогенна среда (например между несмесващи се течности), тогава тя се извършва само върху контактната повърхност на веществата. Такива реакции се наричат разнородни.

Хетерогенна скорост на реакциясе определя като промяна в количеството материя за единица време на единица повърхност:

$υ_(homog.)=(∆C)/(∆t S)[(mol)/(c m^2)]$

където $S$ е повърхността на контакт между веществата ($m^2, cm^2$).

Ако за която и да е протичаща реакция концентрацията на изходното вещество се измерва експериментално в различни моменти от време, тогава нейната промяна може да се покаже графично с помощта на кинетичната крива за този реагент.

Скоростта на реакцията не е постоянна стойност. Ние посочихме само определена средна скорост на дадена реакция в определен интервал от време.

Представете си, че определяме скоростта на реакцията

$H_2+Cl_2→2HCl$

а) чрез промяна на концентрацията на $Н_2$;

б) чрез промяна на концентрацията на $HCl$.

Ще получим ли еднакви стойности? В крайна сметка от $1$ mol $H_2$ се образува $2$ mol $HCl$, така че скоростта в случай b) ще бъде два пъти по-висока. Следователно стойността на скоростта на реакцията зависи и от веществото, от което се определя.

Промяната в количеството на веществото, по което се определя скоростта на реакцията, е външен фактор, наблюдаван от изследователя. Всъщност всички процеси се извършват на микро ниво. Очевидно, за да реагират някои частици, те трябва преди всичко да се сблъскат, и то ефективно: не да се разпръснат като топки в различни посоки, а по такъв начин, че старите връзки в частиците да бъдат унищожени или отслабени и да могат да се образуват нови , но за частиците трябва да имат достатъчна енергия.

Данните от изчисленията показват, че например сблъсъци на молекули в газове при атмосферно налягане възлизат на милиарди за $1$ секунда, т.е. всички реакции трябва да са мигновени. Но не е. Оказва се, че само много малка част от молекулите имат необходимата енергия, за да предизвикат ефективен сблъсък.

Минималният излишък на енергия, който една частица (или двойка частици) трябва да притежава, за да възникне ефективен сблъсък, се нарича активираща енергия$E_a$.

Така по пътя на всички влизащи в реакцията частици има енергийна бариера, равна на енергията на активиране $E_a$. Когато е малък, има много частици, които могат да го преодолеят, а скоростта на реакцията е висока. В противен случай е необходим тласък. Когато донесете кибрит, за да запалите спиртна лампа, вие предавате допълнителната енергия $E_a$, необходима за ефективно сблъскване на молекулите на алкохола с молекулите на кислорода (преодоляване на бариерата).

В заключение заключаваме, че много възможни реакции практически не се случват, т.к висока енергия на активиране.

Това е от голямо значение за живота ни. Представете си какво би се случило, ако всички термодинамично разрешени реакции могат да протичат без никаква енергийна бариера (енергия на активиране). Кислородът във въздуха ще реагира с всичко, което може да изгори или просто да се окисли. Цялата органична материя ще пострада, ще се превърне във въглероден диоксид $CO_2$ и вода $H_2O$.

Скоростта на химичната реакция зависи от много фактори. Основните са: естеството и концентрацията на реагентите, налягането (при реакции с участието на газове), температурата, действието на катализаторите и повърхността на реагентите в случай на хетерогенни реакции. Разгледайте влиянието на всеки от тези фактори върху скоростта на химичната реакция.

температура

Знаете, че когато температурата се повиши, в повечето случаи скоростта на химичната реакция се увеличава значително. През 19 век холандският химик J. H. Van't Hoff формулира правилото:

Повишаването на температурата за всеки $10°C$ води до увеличаване на скоростта на реакцията с фактор 2-4 (тази стойност се нарича температурен коефициент на реакцията).

С повишаване на температурата средната скорост на молекулите, тяхната енергия и броят на сблъсъците леко се увеличават, но частта от активните молекули, участващи в ефективни сблъсъци, които преодоляват енергийната бариера на реакцията, рязко се увеличава.

Математически тази зависимост се изразява чрез отношението:

$υ_(t_2)=υ_(t_1)γ^((t_2-t_1)/(10)),$

където $υ_(t_1)$ и $υ_(t_2)$ са скоростите на реакцията при крайните $t_2$ и началните $t_1$ температури, съответно, и $γ$ е температурният коефициент на скоростта на реакцията, който показва колко пъти скоростта на реакцията нараства с повишаване на температурата за всеки $10°C$.

Въпреки това, за да се увеличи скоростта на реакцията, повишаването на температурата не винаги е приложимо, т.к. изходните вещества могат да започнат да се разлагат, разтворителите или самите вещества могат да се изпарят.

Концентрация на реагента

Промяната в налягането с участието на газообразни вещества в реакцията също води до промяна в концентрацията на тези вещества.

За да възникне химическо взаимодействие между частиците, те трябва ефективно да се сблъскат. Колкото по-голяма е концентрацията на реагентите, толкова повече сблъсъци и съответно по-висока скорост на реакцията. Например ацетиленът гори много бързо в чист кислород. Това развива температура, достатъчна за стопяване на метала. Въз основа на голям експериментален материал през 1867 г. норвежците К. Гулденберг и П. Вааге и независимо от тях през 1865 г. руският учен Н. И. Бекетов формулират основния закон на химичната кинетика, който установява зависимостта на реакцията скорост на концентрацията на реагиращите вещества.

Скоростта на химичната реакция е пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите, взети в степени, равни на техните коефициенти в уравнението на реакцията.

Този закон се нарича още закон за масовото действие.

За реакцията $A+B=D$ този закон се изразява по следния начин:

$υ_1=k_1 C_A C_B$

За реакцията $2A+B=D$ този закон се изразява по следния начин:

$υ_2=k_2 C_A^2 C_B$

Тук $C_A, C_B$ са концентрациите на веществата $A$ и $B$ (mol/l); $k_1$ и $k_2$ са коефициентите на пропорционалност, наречени константи на скоростта на реакцията.

Физическият смисъл на константата на скоростта на реакцията не е труден за установяване - тя е числено равна на скоростта на реакцията, при която концентрациите на реагентите са равни на $1$ mol/l или произведението им е равно на единица. В този случай е ясно, че константата на скоростта на реакцията зависи само от температурата и не зависи от концентрацията на веществата.

Законът за масовото действие не отчита концентрацията на реагиращите вещества в твърдо състояние, т.к те реагират на повърхности и техните концентрации обикновено са постоянни.

Например за реакцията на горене на въглища

Изразът на скоростта на реакция трябва да бъде написан така:

$υ=k·C_(O_2)$,

т.е. скоростта на реакцията е само пропорционална на концентрацията на кислород.

Ако уравнението на реакцията описва само цялостната химическа реакция, която протича на няколко етапа, тогава скоростта на такава реакция може да зависи по сложен начин от концентрациите на изходните вещества. Тази зависимост се определя експериментално или теоретично въз основа на предложения механизъм на реакция.

Действието на катализаторите

Възможно е да се увеличи скоростта на реакцията чрез използване на специални вещества, които променят механизма на реакцията и я насочват по енергийно по-благоприятен път с по-ниска енергия на активиране. Те се наричат катализатори(от лат. катализа- унищожаване).

Катализаторът действа като опитен гид, превеждайки група туристи не през висок проход в планината (преодоляването му изисква много усилия и време и не е достъпен за всеки), а по познатите му обходни пътеки, по които можете да преодолеете планината много по-лесно и по-бързо. Вярно е, че по заобиколен път можете да стигнете не точно там, където води основният проход. Но понякога точно това ви трябва! Така действат катализаторите, които се наричат селективен. Ясно е, че няма нужда да се изгарят амоняк и азот, но азотният оксид (II) се използва при производството на азотна киселина.

Катализаторите са вещества, които участват в химическа реакция и променят нейната скорост или посока, но в края на реакцията остават непроменени количествено и качествено.

Промяната на скоростта на химичната реакция или нейната посока с помощта на катализатор се нарича катализа. Катализаторите се използват широко в различни индустрии и в транспорта (каталитични конвертори, които превръщат азотните оксиди в изгорелите газове на автомобилите в безвреден азот).

Има два вида катализа.

хомогенна катализа, при което и катализаторът, и реагентите са в едно и също агрегатно състояние (фаза).

хетерогенна катализакъдето катализаторът и реагентите са в различни фази. Например, разлагането на водороден пероксид в присъствието на твърд катализатор манганов (IV) оксид:

$2H_2O_2(→)↖(MnO_2(I))2H_2O_((l))+O_2(g)$

Самият катализатор не се изразходва в резултат на реакцията, но ако на повърхността му се адсорбират други вещества (те се наричат каталитични отрови), тогава повърхността става неработеща, необходима е регенерация на катализатора. Следователно, преди провеждане на каталитичната реакция, изходните материали се пречистват напълно.

Например при производството на сярна киселина чрез контактен метод се използва твърд катализатор - ванадиев (V) оксид $V_2O_5$:

$2SO_2+O_2⇄2SO_3$

При производството на метанол се използва твърд цинк-хромов катализатор ($8ZnO Cr_2O_3×CrO_3$):

$CO_((g))+2H_(2(g))⇄CH_3OH_((g))$

Биологичните катализатори работят много ефективно - ензими. По химическа природа това са протеини. Благодарение на тях сложните химични реакции протичат с висока скорост в живите организми при ниски температури. Ензимите са много специфични, всеки от тях ускорява само собствената си реакция, която протича в точното време и на точното място с добив близо до $100%$. Създаването на изкуствени катализатори, подобни на ензимите, е мечта на химиците!

Разбира се, чували сте и за други интересни вещества - инхибитори(от лат. инхибирам- забавяне). Те реагират с активни частици с висока скорост, за да образуват неактивни съединения. В резултат на това реакцията рязко се забавя и след това спира. Инхибиторите често се добавят специално към различни вещества, за да предотвратят нежелани процеси.

Например, с помощта на инхибитори, разтвори на водороден прекис, мономери за предотвратяване на преждевременна полимеризация, солна киселина се стабилизират, така че да могат да се транспортират в стоманени контейнери. Инхибиторите се намират и в живите организми, те потискат различни вредни окислителни реакции в тъканните клетки, които могат да бъдат инициирани например от радиоактивно лъчение.

Естеството на реагентите (техният състав, структура)

Стойността на енергията на активиране е факторът, чрез който се влияе влиянието на природата на реагиращите вещества върху скоростта на реакцията.

Ако енергията на активиране е малка ($< 40$ 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 этих случаях ничтожно мала.

Ако енергията на активиране е висока ($> 120$ kJ/mol), това означава, че само незначителна част от сблъсъците между взаимодействащи частици водят до реакция. Следователно скоростта на такава реакция е много бавна. Например, развитието на реакцията на синтез на амоняк при обикновена температура е почти невъзможно да се забележи.

Ако енергиите на активиране имат междинни стойности ($40-120$ kJ/mol), тогава скоростите на такива реакции ще бъдат средни. Такива реакции включват взаимодействието на натрий с вода или етилов алкохол, обезцветяването на бромната вода с етилен, взаимодействието на цинка със солна киселина и др.

Контактна повърхност на реагентите

Скоростта на реакциите, протичащи на повърхността на веществата, т.е. хетерогенен, зависи при равни други условия от свойствата на тази повърхност. Известно е, че тебеширът на прах се разтваря много по-бързо в солна киселина, отколкото парче тебешир с еднаква маса.

Увеличаването на скоростта на реакцията се обяснява преди всичко с увеличаването на контактната повърхност на изходните вещества, както и с редица други причини, например разрушаването на структурата на правилната кристална решетка. Това води до факта, че частиците на повърхността на образуваните микрокристали са много по-реактивни от същите частици върху гладка повърхност.

В промишлеността за провеждане на хетерогенни реакции се използва кипящ слой за увеличаване на контактната повърхност на реагентите, доставяне на изходни материали и отстраняване на продуктите. Например, при производството на сярна киселина с използване на кипящ слой, пиритът се пече; в органичната химия, като се използва кипящ слой, се извършва каталитичен крекинг на нефтопродукти и регенерация (възстановяване) на повреден (коксуван) катализатор.

Скоростта на химическа реакция се разбира като промяна в концентрацията на едно от реагиращите вещества за единица време при постоянен обем на системата.

Обикновено концентрацията се изразява в mol/L, а времето в секунди или минути. Ако например първоначалната концентрация на един от реагентите е била 1 mol / l и след 4 s от началото на реакцията е станала 0,6 mol / l, тогава средната скорост на реакцията ще бъде равна на (1-0,6) / 4 \u003d 0, 1 mol/(l*s).

Средната скорост на реакцията се изчислява по формулата:

Скоростта на химичната реакция зависи от:

Естеството на реагентите.

Веществата с полярна връзка в разтворите взаимодействат по-бързо, това се дължи на факта, че такива вещества в разтвори образуват йони, които лесно взаимодействат помежду си.

Веществата с неполярни и нискополярни ковалентни връзки реагират с различна скорост, това зависи от тяхната химическа активност.

H 2 + F 2 = 2HF (върви много бързо с експлозия при стайна температура)

H 2 + Br 2 \u003d 2HBr (върви бавно, дори при нагряване)

Стойности на повърхностния контакт на реагентите (за хетерогенни)

Концентрации на реагентите

Скоростта на реакцията е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите, повишени на степен на техните стехиометрични коефициенти.

Температури

Зависимостта на скоростта на реакцията от температурата се определя от правилото на Ван Хоф:

с повишаване на температурата за всеки 10 0 скоростта на повечето реакции се увеличава 2-4 пъти.

Наличието на катализатор

Катализаторите са вещества, които променят скоростта на химичните реакции.

Промяната в скоростта на реакцията в присъствието на катализатор се нарича катализа.

налягане

С увеличаване на налягането скоростта на реакцията се увеличава (за хомогенна)

Въпрос номер 26. Закон за масовите действия. Постоянна скорост. Активираща енергия.

Закон за масовите действия.

скоростта, с която веществата реагират едно с друго, зависи от тяхната концентрация

Постоянна скорост.

коефициент на пропорционалност в кинетичното уравнение на химична реакция, изразяващ зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията

Скоростната константа зависи от природата на реагентите и от температурата, но не зависи от техните концентрации.

Активираща енергия.

енергията, която трябва да се предаде на молекулите (частиците) на реагиращите вещества, за да ги превърнат в активни

Енергията на активиране зависи от естеството на реагентите и промените в присъствието на катализатор.

Увеличаването на концентрацията увеличава общия брой молекули и съответно активните частици.

Въпрос номер 27. Обратими и необратими реакции. Химично равновесие, равновесна константа. Принцип на Льо Шателие.

Реакциите, които протичат само в една посока и завършват с пълно превръщане на изходните вещества в крайни, се наричат ​​необратими.

Обратимите реакции са тези, които протичат едновременно в две взаимно противоположни посоки.

В уравненията на обратимите реакции между лявата и дясната страна са поставени две стрелки, сочещи в противоположни посоки. Пример за такава реакция е синтезът на амоняк от водород и азот:

3H 2 + N 2 \u003d 2NH 3

Необратими са такива реакции, по време на които:

Получените продукти се утаяват или се отделят като газ, например:

BaCl 2 + H 2 SO 4 \u003d BaSO 4 + 2HCl

Na 2 CO 3 + 2HCl \u003d 2NaCl + CO 2 + H 2 O

Образуване на вода:

HCl + NaOH = H 2 O + NaCl

Обратимите реакции не достигат до края и завършват с установяването химично равновесие.

Химичното равновесие е състояние на система от реагиращи вещества, при което скоростите на правата и обратната реакция са еднакви.

Състоянието на химичното равновесие се влияе от концентрацията на реагиращите вещества, температурата, а за газовете - налягането. Когато един от тези параметри се промени, химичното равновесие се нарушава.

Константа на равновесие.

Най-важният параметър, характеризиращ една обратима химична реакция, е равновесната константа K. Ако запишем за разглежданата обратима реакция A + D C + D условието за равенство на скоростите на правата и обратната реакция в равновесно състояние - k1[A] равно[B]равно = k2[C]равно[ D] е равно, откъдето [C] е равно на [D] е равно / [A] е равно на [B] е равно на = k1/k2 = K, тогава стойността на K се нарича равновесие константа на химическа реакция.

И така, при равновесие, съотношението на концентрацията на реакционните продукти към продукта на концентрацията на реагентите е постоянно, ако температурата е постоянна (константите на скоростта k1 и k2 и, следователно, равновесната константа K зависят от температурата, но не зависят от концентрацията на реагентите). Ако в реакцията участват няколко молекули от изходните вещества и се образуват няколко молекули от продукта (или продуктите), концентрациите на веществата в израза за равновесната константа се повишават до степените, съответстващи на техните стехиометрични коефициенти. Така че за реакцията 3H2 + N2 2NH3, изразът за равновесната константа е написан като K = 2 равно / 3 равно. Описаният метод за извличане на равновесната константа, базиран на скоростта на правата и обратната реакция, не може да се използва в общия случай, тъй като при сложни реакции зависимостта на скоростта от концентрацията обикновено не се изразява с просто уравнение или не е известна изобщо. Въпреки това в термодинамиката е доказано, че крайната формула за равновесната константа се оказва правилна.

За газообразни съединения, вместо концентрации, може да се използва налягане при записване на равновесната константа; Очевидно числената стойност на константата може да се промени в този случай, ако броят на газообразните молекули от дясната и лявата страна на уравнението не е еднакъв.

Принцип на Льо Шателие.

Ако някакво външно въздействие се произведе върху система в равновесие, тогава равновесието се измества в посоката на реакцията, която противодейства на това влияние.

Химическият баланс се влияе от:

Промяна на температурата. С повишаване на температурата равновесието се измества към ендотермична реакция. С понижаването на температурата равновесието се измества към екзотермична реакция.

Промяна в налягането. С увеличаване на налягането равновесието се измества в посока на намаляване на броя на молекулите. С намаляването на налягането равновесието се измества в посока на увеличаване на броя на молекулите.

При дефинирането на понятието скорост на химична реакциянеобходимо е да се прави разлика между хомогенни и хетерогенни реакции. Ако реакцията протича в хомогенна система, например в разтвор или в смес от газове, тогава тя протича в целия обем на системата. Скоростта на хомогенна реакциянарича се количеството вещество, което влиза в реакция или се образува в резултат на реакция за единица време в единица обем на системата. Тъй като съотношението на броя молове на веществото към обема, в който то е разпределено, е моларната концентрация на веществото, скоростта на хомогенна реакция може също да се определи като промяна в концентрацията за единица време на някое от веществата: изходен реагент или реакционен продукт. За да се гарантира, че резултатът от изчислението винаги е положителен, независимо дали е произведен от реагент или продукт, във формулата се използва знакът "±":

В зависимост от естеството на реакцията, времето може да бъде изразено не само в секунди, както се изисква от системата SI, но и в минути или часове. По време на реакцията стойността на нейната скорост не е постоянна, а непрекъснато се променя: тя намалява, тъй като концентрациите на изходните вещества намаляват. Горното изчисление дава средната стойност на скоростта на реакцията за определен интервал от време Δτ = τ 2 – τ 1 . Истинската (моментна) скорост се определя като границата, до която отношението Δ СЪС/ Δτ при Δτ → 0, т.е. истинската скорост е равна на времевата производна на концентрацията.

За реакция, чието уравнение съдържа стехиометрични коефициенти, които се различават от единица, стойностите на скоростта, изразени за различни вещества, не са еднакви. Например, за реакцията A + 3B \u003d D + 2E, потреблението на вещество А е един мол, вещество В е три мола, пристигането на вещество Е е два мола. Ето защо υ (A) = ⅓ υ (B) = υ (D)=½ υ (E) или υ (E) . = ⅔ υ (IN) .

Ако протича реакция между вещества, които са в различни фази на хетерогенна система, тогава тя може да се осъществи само на границата между тези фази. Например, взаимодействието на киселинен разтвор и парче метал се случва само на повърхността на метала. Скоростта на хетерогенна реакциянарича се количеството вещество, което влиза в реакция или се образува в резултат на реакция за единица време за единица интерфейс между фазите:

.

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от концентрацията на реагентите се изразява чрез закона за масовото действие: при постоянна температура скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на моларните концентрации на реагентите, повишени до степен, равна на коефициентите във формулите на тези вещества в уравнението на реакцията. След това за реакцията

2A + B → продукти

съотношението υ ~ · СЪСА 2 СЪСБ, а за прехода към равенство се въвежда коефициентът на пропорционалност к, Наречен константа на скоростта на реакцията:

υ = к· СЪСА 2 СЪС B = к[A] 2 [V]

(моларните концентрации във формулите могат да бъдат обозначени като буквата СЪСсъс съответния индекс и формулата на веществото, оградена в квадратни скоби). Физическото значение на константата на скоростта на реакцията е скоростта на реакцията при концентрации на всички реагенти, равни на 1 mol/L. Размерът на константата на скоростта на реакцията зависи от броя на факторите от дясната страна на уравнението и може да бъде от -1; s –1 (l/mol); s –1 (l 2 / mol 2) и т.н., т.е. така, че във всеки случай при изчисленията скоростта на реакцията се изразява в mol l –1 s –1.

За хетерогенни реакции уравнението на закона за масово действие включва концентрациите само на тези вещества, които са в газова фаза или в разтвор. Концентрацията на вещество в твърдата фаза е постоянна стойност и е включена в константата на скоростта, например, за процеса на изгаряне на въглища C + O 2 = CO 2, законът за масовото действие е написан:

υ = kI const = к·,

Където к= kIконст.

В системи, където едно или повече вещества са газове, скоростта на реакцията също зависи от налягането. Например, когато водородът взаимодейства с йодните пари H 2 + I 2 \u003d 2HI, скоростта на химическата реакция ще се определя от израза:

υ = к··.

Ако налягането се повиши, например, 3 пъти, тогава обемът, зает от системата, ще намалее със същото количество и, следователно, концентрациите на всяко от реагиращите вещества ще се увеличат със същото количество. Скоростта на реакция в този случай ще се увеличи 9 пъти

Температурна зависимост на скоростта на реакциятасе описва от правилото на Вант Хоф: за всеки 10 градуса повишаване на температурата скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти. Това означава, че когато температурата нараства експоненциално, скоростта на химичната реакция се увеличава експоненциално. Основата във формулата за прогресия е температурен коефициент на скоростта на реакциятаγ, показващ колко пъти се увеличава скоростта на дадена реакция (или, което е същото, константата на скоростта) с повишаване на температурата с 10 градуса. Математически правилото на Ван'т Хоф се изразява с формулите:

или

където и са скоростите на реакцията, съответно, в началото T 1 и окончателно T 2 температури. Правилото на Вант Хоф може да се изрази и по следния начин:

; ; ; ,

където и са съответно скоростта и константата на скоростта на реакцията при температура T; и са еднакви стойности при температура T +10н; не броят на интервалите от „десет градуса“ ( н =(T 2 –T 1)/10), с която се е променила температурата (може да бъде цяло число или дробно число, положително или отрицателно).

Примери за решаване на проблеми

Пример 1Как ще се промени скоростта на реакцията 2СО + О 2 = 2СО 2, протичаща в затворен съд, ако налягането се удвои?

Решение:

Скоростта на определената химична реакция се определя от израза:

υ начало = к· [CO] 2 · [O 2 ].

Увеличаването на налягането води до увеличаване на концентрацията на двата реагента с коефициент 2. Имайки това предвид, ние пренаписваме израза за закона за масовото действие:

υ 1 = к 2 = к 2 2 [CO] 2 2 [O 2] \u003d 8 к[CO] 2 [O 2] \u003d 8 υ рано

Отговор:Скоростта на реакция ще се увеличи 8 пъти.

Пример 2Изчислете колко пъти ще се увеличи скоростта на реакцията, ако температурата на системата се повиши от 20 °C на 100 °C, като се приеме, че стойността на температурния коефициент на скоростта на реакцията е 3.

Решение:

Съотношението на скоростите на реакцията при две различни температури е свързано с температурния коефициент и температурната промяна по формулата:

Изчисление:

Отговор:Скоростта на реакция ще се увеличи с 6561 пъти.

Пример 3При изследване на хомогенната реакция A + 2B = 3D беше установено, че в рамките на 8 минути от реакцията количеството на веществото А в реактора намалява от 5,6 mol на 4,4 mol. Обемът на реакционната маса е 56 l. Изчислете средната скорост на химична реакция за изследвания период от време за вещества A, B и D.

Решение:

Използваме формулата в съответствие с дефиницията на понятието "средна скорост на химическа реакция" и заместваме числените стойности, получавайки средната скорост за реагент А:

От уравнението на реакцията следва, че в сравнение със скоростта на загуба на вещество А, скоростта на загуба на вещество В е два пъти по-голяма, а скоростта на увеличаване на количеството на продукта D е три пъти по-голяма. Следователно:

υ (A) = ½ υ (B)=⅓ υ (Д)

и тогава υ (B) = 2 υ (A) \u003d 2 2,68 10 -3 \u003d 6,36 10 -3 mol l -1 min -1;

υ (D)=3 υ (A) = 3 2,68 10 -3 = 8,04 10 -3 mol l -1 min -1

Отговор: u(A) = 2,68 10 -3 mol l -1 min -1; υ (B) = 6,36 10–3 mol l–1 min–1; υ (D) = 8,04 10–3 mol l–1 min–1.

Пример 4За да се определи константата на скоростта на хомогенната реакция A + 2B → продукти, бяха проведени два експеримента при различни концентрации на вещество B и беше измерена скоростта на реакцията.

Скоростта на химичните реакции. Химично равновесие

план:

1. Концепцията за скоростта на химичната реакция.

2. Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция.

3. Химически баланс. Фактори, влияещи върху преместващия баланс. Принцип на Льо Шателие.

Химичните реакции протичат с различна скорост. Реакциите във водни разтвори протичат много бързо. Например, ако разтворите на бариев хлорид и натриев сулфат се отцедят, веднага се утаява бяла утайка от бариев сулфат. Етиленът обезцветява бромната вода бързо, но не моментално. Ръждата бавно се образува върху железни предмети, плака се появява върху медни и бронзови продукти, листата гният.

Науката се занимава с изучаването на скоростта на химичната реакция, както и с идентифицирането на нейната зависимост от условията на процеса - химична кинетика.

Ако реакциите протичат в хомогенна среда, например в разтвор или газова фаза, тогава взаимодействието на реагиращите вещества се осъществява в целия обем. Такива реакции се наричат хомогенен.

Ако възникне реакция между вещества, които са в различни агрегатни състояния (например между твърдо вещество и газ или течност) или между вещества, които не са способни да образуват хомогенна среда (например между две несмесващи се течности), тогава тя протича само върху контактната повърхност на веществата. Такива реакции се наричат разнородни.

υ на хомогенна реакция се определя от промяната в количеството вещество на единица на единица обем:

υ \u003d Δ n / Δt ∙ V

където Δ n е промяната в броя на моловете на едно от веществата (най-често първоначалното, но може да бъде и реакционният продукт), (mol);

V - обем газ или разтвор (l)

Тъй като Δ n / V = ​​​​ΔC (промяна в концентрацията), тогава

υ \u003d Δ C / Δt (mol / l ∙ s)

υ на хетерогенна реакция се определя от промяната в количеството вещество за единица време на единица контактна повърхност на веществата.

υ \u003d Δ n / Δt ∙ S

където Δ n е промяната в количеството на веществото (реагент или продукт), (mol);

Δt е интервалът от време (s, min);

S - повърхност на контакт на веществата (cm 2, m 2)

Защо скоростите на различните реакции не са еднакви?

За да започне химическа реакция, молекулите на реагентите трябва да се сблъскат. Но не всеки сблъсък води до химическа реакция. За да може сблъсъкът да доведе до химическа реакция, молекулите трябва да имат достатъчно висока енергия. Наричат ​​се частици, които се сблъскват една с друга, за да претърпят химическа реакция активен.Те имат излишна енергия спрямо средната енергия на повечето частици - енергията на активиране Д акт.В дадено вещество има много по-малко активни частици, отколкото със средна енергия, следователно, за да започнат много реакции, системата трябва да бъде снабдена с известна енергия (светлинна светкавица, нагряване, механичен удар).

Енергийна бариера (стойност Д акт) на различните реакции е различно, колкото по-ниско е, толкова по-лесно и по-бързо протича реакцията.

2. Фактори, влияещи върху υ(брой сблъсъци на частици и тяхната ефективност).

1) Естеството на реагентите:техният състав, структура => енергия на активиране

▪ толкова по-малко Д акт, толкова повече υ;

Ако Д акт < 40 кДж/моль, то это значит, 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, т.к. в этих реакциях участвуют разноименнозаряженные частицы, и энергия активации в этих случаях ничтожно мала.

Ако Д акт> 120 kJ/mol, това означава, че само незначителна част от сблъсъците между взаимодействащите частици водят до реакцията. Честотата на такива реакции е много ниска. Например ръждясването на желязото или

протичането на реакцията на синтез на амоняк при обикновена температура е почти невъзможно да се забележи.

Ако Д актимат междинни стойности (40 - 120 kJ / mol), тогава скоростта на такива реакции ще бъде средна. Такива реакции включват взаимодействието на натрий с вода или етанол, обезцветяване на бромна вода с етилен и др.

2) температура: при t за всеки 10 0 C, υ 2-4 пъти (правило на van't Hoff).

υ 2 \u003d υ 1 ∙ γ Δt / 10

При t, броят на активните частици (s Д акт) и техните активни сблъсъци.

Задача 1.Скоростта на определена реакция при 0 0 C е 1 mol/l ∙ h, температурният коефициент на реакцията е 3. Каква ще бъде скоростта на тази реакция при 30 0 C?

υ 2 \u003d υ 1 ∙ γ Δt / 10

υ 2 \u003d 1 ∙ 3 30-0 / 10 \u003d 3 3 \u003d 27 mol / l ∙ h

3) Концентрация:колкото повече, толкова по-често възникват сблъсъци и υ. При постоянна температура за реакцията mA + nB = C съгласно закона за масовото действие:

υ = k ∙ C A m ∙ C B n

където k е константата на скоростта;

С – концентрация (mol/l)

Закон за действащите маси:

Скоростта на химичната реакция е пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите, взети в степени, равни на техните коефициенти в уравнението на реакцията.

W.d.m. не отчита концентрацията на реагиращите вещества в твърдо състояние, т.к те реагират на повърхности и техните концентрации обикновено остават постоянни.

Задача 2.Реакцията протича по уравнението A + 2B → C. Колко пъти и как ще се промени скоростта на реакцията с увеличаване на концентрацията на вещество B с 3 пъти?

Решение: υ = k ∙ C A m ∙ C B n

υ \u003d k ∙ C A ∙ C B 2

υ 1 = k ∙ a ∙ в 2

υ 2 \u003d k ∙ a ∙ 3 в 2

υ 1 / υ 2 \u003d a ∙ in 2 / a ∙ 9 in 2 \u003d 1/9

Отговор: увеличете с 9 пъти

При газообразните вещества скоростта на реакцията зависи от налягането

Колкото по-голямо е налягането, толкова по-висока е скоростта.

4) КатализаториВещества, които променят механизма на реакцията Д акт => υ .

▪ Катализаторите остават непроменени в края на реакцията

▪ Ензимите са биологични катализатори, протеини по природа.

▪ Инхибитори – вещества, които ↓ υ

5) За хетерогенни реакции υ също зависи от:

▪ върху състоянието на контактната повърхност на реагентите.

Сравнете: равни обеми разтвор на сярна киселина се изсипват в 2 епруветки и едновременно се спускат в едната - железен гвоздей, в другата - железни стърготини Смилането на твърдо вещество води до увеличаване на броя на неговите молекули, които могат едновременно да реагират. Следователно скоростта на реакцията във втората епруветка ще бъде по-висока, отколкото в първата.

Химични методи

Физически методи

Методи за измерване на скоростта на реакцията

В примера по-горе скоростта на реакцията между калциев карбонат и киселина беше измерена чрез изследване на обема отделен газ като функция на времето. Експериментални данни за скоростта на реакцията могат да бъдат получени чрез измерване на други величини.

Ако по време на реакцията общото количество на газообразните вещества се промени, тогава нейният ход може да се наблюдава чрез измерване на налягането на газа при постоянен обем. В случаите, когато един от изходните материали или един от реакционните продукти е оцветен, протичането на реакцията може да се наблюдава чрез наблюдение на промяната в цвета на разтвора. Друг оптичен метод е измерването на въртенето на равнината на поляризация на светлината (ако изходните вещества и продуктите на реакцията имат различни ротационни способности).

Някои реакции са придружени от промяна в броя на йоните в разтвора. В такива случаи скоростта на реакцията може да се изследва чрез измерване на електрическата проводимост на разтвора. В следващата глава ще бъдат обсъдени някои други електрохимични методи, които могат да се използват за измерване на скоростта на реакцията.

Прогресът на реакцията може да се наблюдава чрез измерване на концентрацията на един от участниците в реакцията във времето с помощта на различни методи за химичен анализ. Реакцията се провежда в термостатиран съд. На определени интервали се взема проба от разтвора (или газа) от съда и се определя концентрацията на един от компонентите. За получаване на надеждни резултати е важно да не настъпи никаква реакция в пробата, взета за анализ. Това се постига чрез химическо свързване на един от реагентите, бързо охлаждане или разреждане на разтвора.

Експерименталните изследвания показват, че скоростта на реакцията зависи от няколко фактора. Нека първо разгледаме влиянието на тези фактори на качествено ниво.

1.Естеството на реагентите.От лабораторната практика знаем, че неутрализацията на киселина с основа

H + + OH - ® H 2 O

взаимодействие на соли с образуването на трудно разтворимо съединение

Ag + + Cl – ® AgCl

и други реакции в електролитни разтвори са много бързи. Времето, необходимо за завършване на такива реакции, се измерва в милисекунди и дори микросекунди. Това е съвсем разбираемо, т.к същността на такива реакции е приближаването и комбинирането на заредени частици с заряди с противоположен знак.

За разлика от йонните реакции, взаимодействието между ковалентно свързаните молекули обикновено протича много по-бавно. Наистина, в хода на реакцията между такива частици, връзките в молекулите на изходните вещества трябва да се разкъсат. За да направят това, сблъскващите се молекули трябва да имат определено количество енергия. Освен това, ако молекулите са достатъчно сложни, за да възникне реакция между тях, те трябва да са ориентирани в пространството по определен начин.

2. Концентрация на реагента. Скоростта на химическата реакция, ceteris paribus, зависи от броя на сблъсъците на реагиращите частици за единица време. Вероятността от сблъсъци зависи от броя на частиците в единица обем, т.е. от концентрацията. Следователно скоростта на реакцията се увеличава с увеличаване на концентрацията.

3. Агрегатното състояние на веществата. В хомогенните системи скоростта на реакцията зависи от броя на сблъсъците на частиците обем на разтвора(или газ). В хетерогенните системи възниква химично взаимодействие на интерфейса. Увеличаването на повърхността на твърдото вещество по време на смилането му улеснява достъпа на реагиращите частици до частиците на твърдото вещество, което води до значително ускоряване на реакцията.

4. температураима значително влияние върху скоростта на различни химични и биологични процеси. С повишаване на температурата кинетичната енергия на частиците се увеличава и следователно се увеличава частта от частици, чиято енергия е достатъчна за химично взаимодействие.

5. Стеричен факторхарактеризира необходимостта от взаимна ориентация на реагиращите частици. Колкото по-сложни са молекулите, толкова по-малка е вероятността за правилната им ориентация, толкова по-ниска е ефективността на сблъсъците.

6. Наличие на катализатори.Катализаторите са вещества, които променят скоростта на химичната реакция.Въведени в реакционната система в малки количества и оставайки непроменени след реакцията, те са способни изключително да променят скоростта на процеса.

Основните фактори, от които зависи скоростта на реакцията, ще бъдат разгледани по-подробно по-долу.