Раздел химии, изучающий скорость химических реакций и механизм их протекания называется химической кинетикой . Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за малые доли секунды, другие осуществляются минуты, часы, дни. Кроме того, одна и та же реакция может в одних условиях, например, при повышенных температурах, протекать быстро, а в других, например, при охлаждении, - медленно. Знание скоростей реакций имеет очень большое значение. Например, в химической промышленности от этого зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта.

Факторы, влияющие на скорость химических реакций.

К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакции, относятся следующие: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов.

1) Влияние концентрации.

Необходимым условием того, чтобы между частицами исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом. Частицы должны сблизится на столько, чтобы атомы одной из них испытали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой. Только при этом станут возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ. Поэтому скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ. Это число тем больше, чем выше концентрация каждого из реагирующих веществ, или чем больше произведение концентраций реагирующих веществ.

Так скорость реакции:

Коэффициент каждого вещества входит в выражение скорости реакции в степени, равной соответствующему коэффициенту в уравнении реакции. Изложенное выше находит свое подтверждение в законе действия масс , открытом опытным путем

К.М. Гульдбергом и П. Вааге в 1867 году:

ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИ ПРОПОРЦИОНАЛЬНА КОНЦЕНТРАЦИИ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ, ПРИЧЕМ КАЖДАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ВХОДИТ В ПРОИЗВЕДЕНИЕ В СТЕПЕНИ, РАВНОЙ КОЭФФИЦИЕНТУ, СТОЯЩЕМУ ПЕРЕД ФОРМУЛОЙ ДАННОГО ВЕЩЕСТВА В УРАВНЕНИИ РЕАКЦИИ.

Величина константы k зависит от природы реагирующих веществ, от температуры и от присутствия катализаторов, но не зависит от концентрации веществ. В случае гетерогенных реакций в уравнение закона действия масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе.

Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, обычно представляет собой постоянную величину и, поэтому, входит в константу скорости. Например, реакция горения угля С+О2=СО2 ϑ=κ.

2) Влияние температуры и природы реагирующих веществ.

Если воспользоваться результатами исследований, то окажется, что число соударений между молекулами так велико, что все реакции должны протекать практически мгновенно, однако, в действительности, не все реакции заканчиваются так быстро. Это противоречие можно объяснить тем, что не всякое столкновение приводит к образованию продукта реакции. Для того чтобы произошла реакция, т.е. образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, что бы их столкновение могло привести к образованию нового вещества, называется энергией активации данной реакции . Энергию активации выражают в кДж/моль.

Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами . С ростом температуры число активных молекул возрастает, отсюда следует, что и скорость химической реакции должна увеличиваться с повышением температуры. Зависимость скорости реакции от температуры описывает эмпирическое правило Вант-Гоффа:

ПРИ ПОВЫШЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ НА КАЖДЫЕ 10 градусов СКОРОСТЬ БОЛЬШИНСТВА РЕАКЦИЙ ВОЗРАСТАЕТ В 2-4 РАЗА

Энергия активации различных реакций различна. Ее величина является тем фактором, посредствам которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции. Если энергия активации очень мала (меньше 40 кДж/моль), то значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к реакции. Скорость такой реакции велика. Напротив, если энергия активации реакции очень велика (больше 120 кДж/моль), то это означает, что лишь очень малая часть столкновений взаимодействующих частиц приводит к протеканию химической реакции. Скорость подобной реакции очень мала. Наконец, если энергия активации имеет среднее значение, то такая реакция будет протекать не очень медленно и не очень быстро. Скорость такой реакции можно измерить.

Реакции, требующие для своего протекания заметной энергии активации, начинаются с разрыва или с ослабления связей между атомами в молекулах исходных веществ. При этом вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергии. Это состояние называется активированным комплексом . Именно для его образования и необходима энергия активации.

Активированный комплекс возникает в качестве промежуточного состояния как к ходе прямой, так и обратной реакции. Энергетически он отличается от исходных веществ на величину энергии активации прямой реакции.

3) Катализ.

Вещества, не расходующиеся в результате протекания реакции, но влияющие на ее скорость, называются катализаторами. Явление изменения скорости под действием катализаторов называется катализом . Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими . В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. В присутствии катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их образования требуется меньше энергии, чем при образовании активированных комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом, энергия активации реакции понижается; некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными. Катализатор в одно и то же число раз ускоряет и прямую, и обратную реакции.

Кинетика – наука о скоростях химических реакций.

Скорость химической реакции – число элементарных актов химического взаимодействия, протекающих в единицу времени в единицу объема (гомогенные) или на единице поверхности (гетерогенные).

Истинная скорость реакции:

2. Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Для гомогенных, гетерогенных реакций:

1) концентрация реагирующих веществ;

2) температура;

3) катализатор;

4) ингибитор.

Только для гетерогенных:

1) скорость подвода реагирующих веществ к поверхности раздела фаз;

2) площадь поверхности.

Главный фактор – природа реагирующих веществ – характер связи между атомами в молекулах реагентов.

NO 2 – оксид азота (IV) – лисий хвост, СО – угарный газ, монооксид углерода.

Если их окислить кислородом, то в первом случае реакция пойдет мгновенно, стоит приоткрыть пробку сосуда, во втором случае реакция растянута во времени.

Концентрация реагирующих веществ будет рассмотрена ниже.

Голубая опалесценция свидетельствует о моменте выпадения серы, чем выше концентрация, тем скорость выше.

Рис. 10

Чем больше концентрации Na 2 S 2 O 3 , тем меньше времени идет реакция. На графике (рис. 10) изображена прямо пропорциональная зависимость. Количественная зависимость скорости реакции от концент-рации реагирующих веществ выражается ЗДМ (законом действующих масс), который гласит: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Итак, основным законом кинетики является установленный опытным путем закон: скорость реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ, пример: (т.е. для реакции)

Для этой реакции Н 2 + J 2 = 2НJ – скорость можно выразить через изменение концентрации любого из веществ. Если реакция протекает слева направо, то концентрация Н 2 и J 2 будет уменьшаться, концентрация НJ – увеличиваться по ходу реакции. Для мгновенной скорости реакций можно записать выражение:

квадратными скобками обозначается концентрация.

Физический смысл k– молекулы находятся в непрерывном движении, сталкиваются, разлетаются, ударяются о стенки сосуда. Для того, чтобы произошла химическая реакция образования НJ, молекулам Н 2 и J 2 надо столкнуться. Число же таких столкновений будет тем больше, чем больше молекул H 2 и J 2 содержится в объеме, т. е. тем больше будут величины [Н 2 ] и . Но молекулы движутся с разными скоростями, и суммарная кинетическая энергия двух сталкивающихся молекул будет различной. Если столкнутся самые быстрые молекулы Н 2 и J 2 , энергия их может быть такой большой, что молекулы разобьются на атомы йода и водорода, разлетающиеся и взаимодействующие затем с другими молекулами Н 2 + J 2 > 2H+2J, далее будет H + J 2 > HJ + J. Если энергия сталкивающихся молекул меньше, но достаточно велика для ослабления связей H – H и J – J, произойдет реакция образования йодоводорода:

У большинства же сталкивающихся молекул энергия меньше необходимой для ослабления связей в Н 2 и J 2 . Такие молекулы «тихо» столкнутся и также «тихо» разойдутся, оставшись тем, чем они были, Н 2 и J 2 . Таким образом, не все, а лишь часть столкновений приводит к химической реакции. Коэффициент пропорциональности (k) показывает число результативных, приводящих к реакции соударений при концентрациях [Н 2 ] = = 1моль. Величина k– const скорости . Как же скорость может быть постоянной? Да, скоростью равномерного прямолинейного движения называют постоянную векторную величину, равную отношению перемещения тела за любой промежуток времени к значению этого промежутка. Но молекулы движутся хаотически, тогда как же может быть скорость – const? Но постоянная скорость может быть только при постоянной температуре. С ростом температуры увеличивается доля быстрых молекул, столкновения которых приводят к реакции, т. е. увеличивается константа скорости. Но увеличение константы скорости не безгранично. При какой-то температуре энергия молекул станет столь большой, что практически все соударения реагентов будут результативными. При столкновении двух быстрых молекул будет происходить обратная реакция.

Настанет такой момент, когда скорости образования 2НJ из Н 2 и J 2 и разложения будут равны, но это уже химическое равновесие. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ можно проследить, пользуясь традиционной реакцией взаимодействия раствора тиосульфата натрия с раствором серной кислоты.

Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 S 2 O 3 , (1)

H 2 S 2 O 3 = Sv+H 2 O+SO 2 ^. (2)

Реакция (1) протекает практически мгновенно. Скорость реакции (2) зависит при постоянной температуре от концентрации реагирующего вещества H 2 S 2 O 3 . Именно эту реакцию мы наблюдали – в этом случае скорость измеряется временем от начала сливания растворов до появления опалесценции. В статье Л. М. Кузнецовой описана реакция взаимодействия тиосульфата натрия с соляной кислотой. Она пишет, что при сливании растворов происходит опалесценция (помутнение). Но данное утверждение Л. М. Кузнецовой ошибочно так как опалесценция и помутнение – это разные вещи. Опалесценция (от опал и латинского escentia – суффикс, означающий слабое действие) – рассеяние света мутными средами, обусловленное их оптической неоднородностью. Рассеяние света – отклонение световых лучей, распространяющихся в среде во все стороны от первоначального направления. Коллоидные частицы способны рассеивать свет (эффект Тиндаля – Фарадея) – этим объясняется опалесценция, легкая мутноватость коллоидного раствора. При проведении этого опыта надо учитывать голубую опалесценцию, а затем коагуляцию коллоидной суспензии серы. Одинаковую плотность суспензии отмечают по видимому исчезновению какого-либо рисунка (например, сетки на дне стаканчика), наблюдаемого сверху через слой раствора. Время отсчитывают по секундомеру с момента сливания.

Растворы Na 2 S 2 O 3 x 5H 2 O и H 2 SO 4 .

Первый готовят путем растворения 7,5 г соли в 100 мл H 2 O, что соответствует 0,3 М концентрации. Для приготовления раствора H 2 SO 4 той же концентрации отмерить надо 1,8 мл H 2 SO 4 (к), ? = = 1,84 г/см 3 и растворить ее в 120 мл H 2 O. Приготовленный раствор Na 2 S 2 O 3 разлить в три стакана: в первый – 60 мл, во второй – 30 мл, в третий – 10 мл. Во второй стакан добавить 30 мл H 2 O дистиллированной, а в третий – 50 мл. Таким образом, во всех трех стаканах окажется по 60 мл жидкости, но в первом концентрация соли условно = 1, во втором – Ѕ, а в третьем – 1/6. После того, как будут подготовлены растворы, в первый стакан с раствором соли прилейте 60 мл раствора H 2 SO 4 и включите секундомер, и т. д. Учитывая, что скорость реакции падает с разбавлением раствора Na 2 S 2 O 3 , ее можно определить как величину, обратно пропорциональную времени v = 1/? и построить график, отложив на оси абсцисс концентрацию, а на оси ординат – скорость реакции. Из этого вывод – скорость реакции зависит от концентрации веществ. Полученные данные занесены в таблицу 3. Можно этот опыт выполнить с помощью бюреток, но это требует от выполняющего большой практики, потому что график бывает неправильным.

Таблица 3

Скорость и время реакции

Подтверждается закон Гульдберга-Вааге – профессора химии Гульдерга и молодого ученого Вааге).

Рассмотрим следующий фактор – температуру.

При увеличении температуры скорость большинства химических реакций повышается. Эта зависимость описана правилом Вант-Гоффа: «При повышении температуры на каждые 10 °C скорость химических реакций увеличивается в 2 – 4 раза».

где ? – температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 °C;

v 1 – скорость реакции при температуре t 1 ;

v 2 – скорость реакции при температуре t 2 .

Например, реакция при 50 °С протекает за две минуты, за сколько времени закончится процесс при 70 °С, если температурный коэффициент ? = 2?

t 1 = 120 с = 2 мин; t 1 = 50 °С; t 2 = 70 °С.

Даже небольшое повышение температуры вызывает резкое увеличение скорости реакции активных соударений молекулы. Согласно теории активации, в процессе участвуют только те молекулы, энергия которых больше средней энергии молекул на определенную величину. Эта избыточная энергия – энергия активации. Физический смысл ее – это та энергия, которая необходима для активного столкновения молекул (перестройки орбиталей). Число активных частиц, а следовательно, скорость реакции возрастает с температурой по экспоненциальному закону, согласно уравнению Аррениуса, отражающему зависимость константы скорости от температуры

где А – коэффициент пропорциональности Аррениуса;

k– постоянная Больцмана;

Е А – энергия активации;

R – газовая постоянная;

Т– температура.

Катализатор – вещество, ускоряющее скорость реакции, которое само при этом не расходуется.

Катализ – явление изменения скорости реакции в присутствии катализатора. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. Гомогенный – если реагенты и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии. Гетерогенный – если реагенты и катализатор в различных агрегатных состояниях. Про катализ см. отдельно (дальше).

Ингибитор – вещество, замедляющее скорость реакции.

Следующий фактор – площадь поверхности. Чем больше поверхность реагирующего вещества, тем больше скорость. Рассмотрим на примере влияние степени дисперсности на скорость реакции.

CaCO 3 – мрамор. Плиточный мрамор опустим в соляную кислоту HCl, подождем пять минут, он растворится полностью.

Порошкообразный мрамор – с ним проделаем ту же процедуру, он растворился через тридцать секунд.

Уравнение обоих процессов одинаково.

CaCO 3 (тв) + HCl(г) = CaCl 2 (тв) + H 2 O(ж) + CO 2 (г) ^.

Итак, при добавлении порошкообразного мрамора время меньше, чем при добавлении плиточного мрамора, при одинаковой массе.

С увеличением поверхности раздела фаз скорость гетерогенных реакций увеличивается.

Существует область в физической химии, которая занимается анализом скорости химических процессов, определением условий, воздействующих на увеличение или снижение скорости. Это направление называется химическая кинетика. Данная область науки изучает механизмы проведения и термодинамические особенности процессов. Полученные знания используются в научных целях, при производстве химических веществ, когда важно контролировать взаимодействие ингредиентов в реакторах.

Под термином «скорость реакции» подразумевают эквивалентное изменение концентраций ингредиентов, участвующих в реакции, за обозначенную временную единицу. Для расчетов скорости предназначена специальная формула: ᴠ = ±C/t.

Единица измерения скорости – моль/л*с при проведении гомогенного процесса, когда реагирует весь объем. Для многостадийной реакции, когда есть четко обозначенные фазы, применяют другую единицу измерения – моль/м2*с.

Разноскоростные химические процессы

Химические компоненты могут взаимодействовать между собой с разной скоростью. К примеру, сталактиты формируются в результате нарастания карбоната кальция. Скорость роста образования – полмиллиметра за 100 лет. Так же медленно проходят другие биохимические реакции. Довольно низкой скоростью отличаются процессы синтеза белка и коррозия металлов.

Быстрее проходят другие процессы, для завершения которых требуется один или несколько часов. К таким реакциям относится приготовление пищи, когда происходит разложение и преобразование соединений, имеющихся в продуктах питания.

На протяжении определенного промежутка времени следует нагревать реакционный состав, который используется для синтеза некоторых полимеров.

К быстрым химическим реакциям следует отнести нейтрализацию, контактирование разбавленной уксусной кислоты с обычной пищевой содой, в результате чего выделяется углекислый газ. В перечень можно добавить реакцию натриевых солей с нитратом бария, по завершении которой в осадок выпадает нерастворимый сульфат бария.

Важно! Существует огромное количество химических процессов, которые протекают очень быстро и завершаются взрывом. Яркий пример – соединение калия и воды.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Соединяя химические вещества, получают реакцию, которая в разных условиях протекает с различной скоростью. К примеру, при комбинации водорода и кислорода в газовом состоянии смесь долгое время находится в бездействии, но если емкость встряхнуть либо ударить, то реакция закончится взрывом.

В связи с такими особенностями специалисты химической кинетики выделили ряд факторов, имеющих способность повлиять на быстроту прохождения химической реакции.

Среди таких условий различают:

• природные свойства реагирующих компонентов;
• концентрация реагентов;
• температурные перепады;
• применение катализатора;
• скачки давления (при использовании газообразных компонентов);
• площадь взаимодействия веществ.

Природные свойства реагентов

Большая разница в скоростях химреакций обусловлена разными коэффициентами энергии активации – лишнего объема энергии, количество которого превышает средние значения, необходимые частицам для соударения и осуществления взаимодействия. Параметр имеет свою единицу измерения кДж/моль. Эти значения варьируются от 50 до 250.

При избытке энергии в количестве 150 кДж/моль в нормальных условиях реакция не протекает. Объем выделенной энергии израсходуется на предотвращение отталкивания молекул, минимизацию связей внутри вещества. От активационной энергии зависит прочность химсвязей в ингредиентах. Значение энергии отображает активность реакции:

• менее 40 – взаимодействие проходит быстро, все удары молекул заканчиваются реакцией;
• больше 40, но меньше 120 – средняя скорость, только половина столкновений являются эффективными;
• более 120 – медленное взаимодействие, поскольку незначительная часть соударений частиц заканчивается реакцией.

Концентрация веществ

Количество молекул в единице объема воздействует на быстроту взаимодействия. Процесс подпадает под закон действующих масс. Закон применяется для простейших реакций, проходящих за одну стадию. Также подходит для многоэтапных реакций, когда процесс происходит на конкретной стадии.

Скорость химпроцесса с учетом условия закона определяется формулой V=k·[A]a·[B]b. В математическом уравнении a и b выступают в роли стехиометрических коэффициентов, [A] и [B] – это концентрации реагентов, k является константой скорости.

Значение скорости отображает идентичный коэффициент, если концентрации реагирующих ингредиентов равны единице. Для корректных расчетов с использованием формулы нужно брать во внимание агрегатное состояние компонентов. Концентрация твердого ингредиента равна единице, поэтому в уравнение не входит, так как во время реакции она не меняется.

Для определения коэффициента скорости в формулу включают исключительно компоненты жидкого и газообразного состояния.

Температурный режим

Течение химреакции зависит также от температурных условий. Опытным путем выявлено, что активность некоторых химических процессов увеличивается в несколько раз, если температуру поднять минимум на 10 градусов. Следующие 10 градусов также провоцируют увеличение активности в 2–4 раза.

К сожалению, не изучен механизм воздействия температуры на быстроту отдельно взятой реакции. Также не определен перечень закономерностей. Можно предположить с точки зрения логики, что рост температуры способствует усилению хаотического движения молекул и атомов, в результате чего количество их столкновений значительно возрастает.

Однако от этой особенности воздействия не увеличивается эффективность соударения частиц, ведь главным катализатором этого процесса является энергия активации. Также для эффективности взаимодействия молекул необходимо их пространственное соответствие.

Применение катализаторов

Активность реакции в химии изучает также и другое направление, которое называется катализ. Его задача – выяснить, как и по какому алгоритму небольшие объемы обозначенных веществ увеличивают скорость отзыва реагентов. Такими веществами называют катализаторы. Причем сам катализатор, ускоряя реакцию, практически не расходуется.

Ускорители способны изменить механизм химического процесса и спровоцировать образование таких переходных состояний вещества, которые имеют более низкий энергетический барьер. Катализатор может сократить энергию активации, увеличить число результативных столкновений молекул. Если взаимодействие энергетически невозможно, то использование ускорителя бессмысленно.

Площадь контакта компонентов

При смешивании веществ, пребывающих в разных агрегатных состояниях, либо компонентов, которые не способны соединиться в гомогенную смесь, на скорость химреакции в значительной мере влияет площадь взаимодействия ингредиентов.

Это обусловлено протеканием гетерогенной реакции на границе контактирования реагентов. То есть чем шире эта граница, тем большее количество частиц сталкивается и провоцирует быструю реакцию.

Яркие примеры подобных свойств:

• мелкие щепки горят намного активнее, чем целые бревна;
• в жидкости лучше растворяются измельченные твердые вещества, чем целый кусок.

Важно! При измельчении твердого ингредиента происходит произвольное разрушение кристаллической решетки реагента, поэтому реакционные свойства частиц увеличиваются.

Влияние давления

Перепады давления во время реакции могут повлиять на активность, только когда в качестве реагентов применяются газообразные вещества. Высокое давление способствует увеличению количества молекул компонента в единице объема, плотность реагента возрастает. При низком давлении количество частиц уменьшается, следовательно, концентрация снижается.

Скорость химического взаимодействия – это количество и эффективность столкновения молекул реагентов. Этот процесс может происходить быстрее или медленнее, если создать соответствующие условия. На возрастание скорости могут влиять факторы, которые можно в разной степени регулировать:

• температурный режим;
• уровень концентрации реагирующих компонентов;
• увеличение или уменьшение давления;
• преобразование разнородных компонентов в одинаковое агрегатное состояние.

Полезное видео

Подведем итоги

В значительной мере быстрота реагирования веществ зависит от стартовой энергии и геометрических особенностей молекул. Данные два параметра контролировать и корректировать невозможно. Изучение ответных реакций химкомпонентов на воздействие перечисленных факторов имеет большую ценность для многих отраслей промышленности. Данные используются при проведении лабораторных исследований, в фармакологической сфере, металлургии, кулинарии, на атомных предприятиях, при производстве лакокрасочной продукции, полимеров.

Вконтакте

Скорость химической реакции зависит от условий, в которых она протекает. Рассматриваемые ниже факторы, влияющие на скорость протекания реакций, относятся к гомогенным реакциям

I. Природа реагирующих веществ. Под природой реагирующих веществ понимают природу химической связи в молекулах реагентов и ее прочность. Разрыв связей и образование новых связей определяют величину константы скорости, и тем самым влияют на процесс протекания реакции.

II. Концентрация реагирующих веществ. Необходимым (но не достаточным) условием для того, чтобы молекула А прореагировала с молекулой В, является столкновение этих молекул. Вероятность столкновения молекул напрямую зависит от количества молекул в единице объема, а оно определяется концентрациями реагирующих веществ. Вероятность столкновения двух молекул равна произведению вероятностей нахождения каждой из молекул в точке столкновения. Следовательно, скорость элементарной химической реакции, заключающейся в одновременном взаимодействии одной или нескольких частиц, пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, указывающих количество молекул данного сорта, участвующих в реакции (стехиометрические коэффициенты). Зависимость скорости элементарной химической реакции:

аА + bВ = dD + еЕ

от концентраций реагирующих веществ описывается следующим уравнением:

V = k·[А] a · [В] b ,

где k- константа пропорциональности, называемая константой скорости химической реакции, [А], [В] - концентрации веществ А и В, выраженные в единицах моль/л, а, b - стехиометрические коэффициенты.

Если в уравнении, связывающем скорость реакции с концентрациями, приравнять их к единице, то получим, что скорость реакции будет равна постоянной величине k. Из этого равенства следует физический смысл константы скорости химической реакции. Константа скорости химической реакции численно равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных одному молю на литр, т. е. константа скорости равна удельной скорости реакции.

Однако, как уже отмечалось выше, подавляющее большинство реакций идёт в несколько стадий.

Поэтому кинетическое уравнение обычно имеет вид:

V = k∙[А] m ∙ [В] n

где т, п - величины, определяемые экспериментально.

Пусть реакция А+2В=АВ протекает в две стадии:
1. А+В=АВ (медленная), 2. АВ+В=АВ (быстрая)
V 1 = k 1 ∙[А] ∙ [В] 2 возможная скорость реакции
V 2 = k 2 ∙[А] ∙ [В] скорость первой стадии
V 3 = k 3 ∙[АВ] ∙ [В] скорость второй стадии

V 1 = k 1 ∙[А] ∙ [В] 1,1 экспериментально определенная скорость реакции

Сумма показателей степеней концентраций реагентов в кинетическом уравнении реакции называется порядком химической реакции. Для уравнения, приведенного выше, порядок реакции равен (т + п). Порядок по данному веществу (частный порядок) определяется как показатель степени при концентрации этого вещества. Так порядок по веществу А равен т.

Например, общий порядок реакции:

Н 2 + I 2 = 2 НI

равен двум, частные порядки по водороду и по иоду равны единице. Данная реакция относится к простым реакциям, т.е. протекает в одну стадию в соответствии со стехиометрическим уравнением.

Химические реакции можно классифицировать по числу частиц, участвующих в одном элементарном химическом акте. Количество частиц, участвующих в элементарном химическом акте называется молекулярностью реакции . В соответствии с этим признаком реакции делятся на:

мономолекулярные - реакции, в которых такой акт представляет собой химическое превращение одной молекулы (реакции изомеризации, диссоциация молекул, радиоактивный распад);

бимолекулярные - реакции, в которых элементарный акт осуществляется при столкновении двух молекул;

тримолекулярные - реакции, протекающие при столкновении трех молекул.

Элементарный акт реакции состоит в таком соударении молекул, при котором разрываются старые и образуются новые связи.

Совокупность реакций из элементарных стадий называется механизмом реакции.

Вероятность столкновения трех молекул при нормальном давлении мала, поэтому тримолекулярные реакции весьма редки. Реакции большей молекулярности практически не встречаются.

Стехиометрическое уравнение реакции отражает материальный баланс, но не механизм реакции. Большинство реакций представляют собой совокупность нескольких последовательных стадий, каждая из которых может относиться к любой из указанных выше кинетических групп. И только для небольшого числа реакций механизм реакции совпадает со стехиометрическим уравнением.

Молекулярность реакции - теоретическое понятие. Для того чтобы определить молекулярность реакции, необходимо знать механизм ее протекания.

Порядок реакции является экспериментальной величиной и определяется по зависимости скорости реакции от концентраций веществ, найденной из опытных данных. Только для простых реакций, механизм которых соответствует стехиометрическому уравнению, порядок реакции и молекулярность имеют одинаковое значение. Например, реакция синтеза иодоводорода формально является бимолекулярной реакцией, и порядок ее согласно уравнению равен двум. В большинстве же случаев порядок реакции и молекулярность не совпадают.

Общий порядок реакции определяется порядком наиболее медленно идущей стадии. Таких стадий может быть несколько, и поэтому экспериментально определенный порядок реакции может быть дробной величиной.

Реакция взаимодействия хлора с водородом формально является реакцией второго порядка. Хорошо известно, что эта реакция протекает при освещении по цепному механизму со взрывом.

Заполним сосуд смесью водорода с хлором и опустим его открытым горлом в эксикатор с водой. Гипотетически предположим, что эта реакция будет протекать с измеримой скоростью. Образующийся хлороводород мгновенно растворяется в воде. За счет этого вода начнет заполнять колбу, уменьшая объем непрореагировавшей смеси водорода и хлора. Так как в реакцию вступают два объема реагентов и образуются два объема хлороводорода, на которые уменьшается объем реакционной смеси, концентрации реагирующих веществ меняться не будут. Иными словами, реакция будет протекать с постоянной скоростью и не будет зависеть от концентраций реагирующих веществ. Такое возможно лишь в том случае, когда общий порядок реакции равен нулю.

Реакции, протекающие с постоянной скоростью, не зависящей от концентрации, являются реакциями нулевого порядка:

III. Температура. С увеличением температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, а следовательно, и скорость их движения. Увеличение скорости приводит к увеличению числа столкновений молекул и, как следствие этого, к увеличению скорости реакции. Экспериментально было установлено, что при увеличении температуры на каждые 10° скорость химической реакции возрастает в два-четыре раза:

где v 1 - скорость реакции при температуре T 1 , v 2 - скорость при температуре Т 2 . Коэффициент γ называется температурным коэффициентом скорости реакции, и его значение для большинства неорганических реакций варьирует от двух до четырех. Эта закономерность носит название правила Вант-Гоффа.

При увеличении температуры скорость реакции увеличивается, и при этом концентрации реагирующих веществ не меняются. Следовательно, константа скорости будет изменяться с изменением температуры. Экспериментальное изучение зависимости скорости реакции от температуры позволило Аррениусу предложить уравнение, названное его именем:

ln k = -

Из этого уравнения следует, что константа скорости реакции экспоненциально растет с увеличением температуры. Аррениус предположил, что константа А равна отношению энергии активации к универсальной газовой постоянной, а константа В, ее чаще обозначают через ln k 0 , учитывает число эффективных (то есть приводящих к химической реакции) столкновений. С учетом этого уравнение Аррениуса можно привести к виду:

Если построить график зависимости экспериментально найденных величин ln kот обратной температуры, то получим прямую линию (рис. 7.2). Отрезок, который отсекает эта прямая на оси ординат при 1 / Т -> 0, равен ln k 0 , а тангенс угла φнаклона прямой

Из величины тангенса угла наклона прямой можно определить энергию активации.

Рис.7.2. Зависимость логарифма константы скорости химической реакции от обратной температуры.

Найти энергию активации можно, измерив скорость реакции при двух разных температурах. Отношение скоростей реакций равно отношению констант скоростей или разности их логарифмов, что позволяет исключить ln k 0:

Безусловно, скорость химической реакции зависит от числа столкновений молекул реагирующих веществ. Но не всякое столкновение приводит к протеканию реакции. Образование продуктов реакции происходит лишь при столкновении «активных» молекул, т.е. молекул, обладающих энергией выше определенного энергетического барьера. При любой заданной температуре молекулы обладают различными энергиями. Существует распределение молекул по энергиям. Зависимость числа молекул от самой энергии приведена на рис.7.3. Математически эта зависимость выражается уравнением: , где N Ea - количество молекул обладающих энергией выше энергии активации (на рисунке это заштрихованная площадь), N 0 - общее количество молекул.

Рис. 7.3. Кривая распределения молекул по кинетическим энергиям.

На рис.7.3 приведены две кривые распределения молекул по энергиям при разных температурах, причем Т 2 >Т 1 . Из рисунка видно, что средняя кинетическая энергия увеличивается, а число молекул, обладающих средней кинетической энергией, уменьшается. Это происходит из-за того, что площадь под кривой, соответствующая общему числу молекул, не меняется, так как число молекул остается постоянным. Пусть Е а - энергия, соответствующая энергетическому барьеру начала реакции. Тогда площадь, заштрихованная под кривой, будет определять число молекул, способных вступить в реакцию, т.е. «активных» молекул. Энергия, соответствующая Е а, называется энергией активации. С увеличением температуры увеличивается площадь, соответствующая количеству молекул, обладающих энергией больше энергии активации реакции, что и определяет увеличение скорости реакции. Данное утверждение справедливо для предположения, что энергия активации не зависит от температуры. В общем случае это не так, но это допущение корректно для ограничения интервала температур. Промежуточная неустойчивая группировка, образующаяся при столкновении активных частиц и находящаяся в состоянии перераспределения связей называется активированным комплексом .

Физический смысл энергии активации легко понять из рис. 7.4, если по оси ординат отложить изменение энтальпии, а по оси абсцисс - направление хода реакции.

Рис. 7.4. Энергетические диаграммы хода некатализируемой (1) и катализируемой (2) химических реакций.

В этом случае разность между суммой энергий исходных веществ и максимумом кривой 1 соответствует величине энергии активации прямой реакции, а разность между суммой энергий продуктов реакций и этим же максимумом - энергии активации обратной реакции. Ввиду того, что сумма энергий исходных веществ больше суммы энергий продуктов реакции, график, приведенный на рис.7.4, относится к экзотермической реакции. Из него следует, что для прямой экзотермической реакции энергия активации всегда меньше энергии активации обратной. Для эндотермической реакции характерно обратное их соотношение. Состояние активированного комплекса соответствует максимуму на кривой 1.

IV. Катализатор. Катализ представляет собой распространенное явление, которое состоит в том, что введение в систему малых количеств посторонних веществ, получивших название катализаторы, существенным образом изменяет скорость химической реакции. Катализаторами называют вещества, которые изменяют скорость химической реакции, не расходуются в ее процессе и не входят в стехиометрическое уравнение реакции.

Катализаторы могут как увеличивать скорость реакции, так и уменьшать ее. В соответствии с этим различают положительный и отрицательный катализ. Как правило, термин «катализатор» применяют к тем веществам, которые увеличивают скорость химической реакции. Вещества, которые уменьшают скорость реакции, называют ингибиторами.

Катализаторы принимают самое непосредственное участие в процессе, но по окончании его могут быть выделены из реакционной смеси в исходном количестве. Для катализаторов характерна селективность, т.е. способность влиять на прохождение реакции в определённом направлении. Из одних и тех же исходных веществ могут быть получены различные продукты в зависимости от используемого катализатора.

Например, оксид углерода (II) и водород в зависимости от применяемого катализатора, температуры реакции и соотношения реагентов могут давать различные продукты реакции: метанол, смесь различных спиртов (синтол), метан, смесь углеводородов:

Взаимодействие аммиака с кислородом без катализатора протекает следующим образом:

4 NH 3 + ЗО 2 = 2 N 2 + 6 Н 2 О,

а в присутствии катализатора (Рt) - в соответствии с уравнением:

4NH 3 + 5 О 2 = 4 NO + 6 Н 2 О.

Особое место занимают биокатализаторы - ферменты, представляющие собой белки. Ферменты оказывают влияние на скорости строго определенных реакций, т. е. обладают очень высокой селективностью. Ферменты ускоряют реакции в миллиарды и триллионы раз при комнатной температуре. При повышенной температуре они теряют свою активность, так как происходит денатурация белков.

Различают два типа катализа: гомогенный катализ, когда реагирующие вещества находятся в одной фазе, и гетерогенный - реакции происходят на поверхности катализатора, т.е. катализатор и исходные вещества находятся в разных фазах.

Катализатор не влияет на состояние равновесия в системе, а лишь изменяет скорость, с которой достигается это состояние. Это следует из того, что равновесию отвечает минимум изобарно-изотермического потенциала (энергии Гиббса), и константа равновесия имеет одинаковое значение, как в присутствии катализатора, так и без него.

Действие гомогенного катализатора заключается в том, что он реагирует с одним из исходных веществ с образованием промежуточного соединения, которое, в свою очередь, вступает в химические реакции с другим исходным веществом, давая желаемый продукт реакции и «освобождая» катализатор. Таким образом, при гомогенном катализе процесс протекает в несколько стадий, но с меньшими значениями энергии активации для каждой стадии, чем для прямого некаталитического процесса. Пусть вещество А реагирует с веществом В, образуя соединение АВ:

Реакция протекает с незначительной скоростью. При добавлении катализатора К протекают следующие реакции:

Сложив эти два уравнения, получим:

Концентрация катализатора мала и не меняется до окончания процесса.

Влияние катализатора на скорость реакции хорошо иллюстрирует кривая 2 на рис.7.4. Она имеет два максимума, первый из которых соответствует энергии активации реакции образования промежуточного соединения одного исходного соединения (А) с катализатором (К), а второй - энергии активации реакции промежуточного соединения (АК) с другим исходным веществом (В) с образованием нужного продукта реакции (АВ) и катализатора. Оба максимума ниже максимума некатализируемой реакции. Примером реакции, протекающей с участием гомогенного катализатора, может служить реакция окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI):

SО 2 + 0,5О 2 = SО 3

с катализатором NO 2:

SО 2 + NO 2 = SО 3 +NO

NO + 0,5O 2 =NO 2

Эти реакции лежат в основе нитрозного метода получения серной кислоты.

Для объяснения механизма действия гетерогенного катализатора рассмотрим свойства атомов или молекул на поверхности любого кристаллического вещества. На поверхности фазы свойства атомов отличаются от свойств атомов, находящихся внутри кристаллической решётки. Кристалл каждого вещества обладает присущей ему трехмерной периодичностью расположения молекул, атомов или ионов. Для простоты изложения рассмотрим двухмерную решетку, изображенную на рис. 7.5.

Из рисунка видно, что силы, которые действуют на атом «А», находящийся внутри фазы, со стороны других атомов, полностью скомпенсированы. Другая картина наблюдается, если атом расположен на поверхности кристалла (атом «В»). В этом случае силы, действующие на атом, не скомпенсированы. В жидкостях это приводит к появлению поверхностного натяжения. В твердых телах поверхностные атомы стремятся компенсировать свою ненасыщенность взаимодействием с молекулами газов (или жидкостей), окружающих кристалл. Молекулы газа (или жидкости) адсорбируются на поверхности кристалла, что приводит к перераспределению электронной плотности в адсорбированных молекулах и ослаблению химической связи в них вплоть до полной диссоциации молекулы на атомы. Это значительно облегчает взаимодействие адсорбированных молекул (атомов) реагирующих веществ между собой. Естественно, что чем больше поверхность, тем эффективнее катализатор.

Рис. 7.5. Механизм действия гетерогенного катализатора .

В качестве катализаторов широко используются металлы, такие как никель, платина, палладий, медь и др. Эти металлы используют в реакциях гидрирования и дегидрирования, платину применяют также в реакциях каталитического окисления, например, при окислении аммиака до оксида азота (II). Очень хорошими катализаторами являются кристаллические алюмосиликаты - цеолиты, Аl 2 Оз, А1 2 (SО 4)з. Эти вещества образуют кристаллогидратные соединения с водой, поэтому их используют как катализаторы в реакциях гидратации и дегидратации.

Часто в качестве факторов, влияющих на скорость гетерогенных химических реакций, указываются поверхность реагирующих веществ и давление.

В гетерогенных реакциях взаимодействие веществ происходит на поверхности раздела фаз, и чем больше площадь этой поверхности, тем выше скорость реакции. Это положение хорошо иллюстрирует реакция взаимодействия твердых сульфата меди и иодида калия:

2 СuSО 4 + 4 КI = 2 СuI↓ +I 2 + 2 К 2 SО 4

О протекании этой реакции можно судить по появлению коричневой окраски, обусловленной образованием иода. Если смешать эти вещества в ступке без растирания, появляется слабая коричневая окраска. По мере растирания смеси окраска становится более интенсивной. При добавлении к смеси нескольких капель воды смесь мгновенно буреет. Наблюдаемые явления легко объяснить: растирание увеличивает поверхность соприкосновения, следовательно, скорость реакции возрастает. При добавлении воды компоненты смеси частично растворяются, что приводит к практически мгновенному протеканию реакции. Отсюда видно, что в гетерогенных реакциях увеличение поверхности соприкосновения соответствует увеличению концентрации реагирующих веществ.

На скорость реакций с участием газообразных веществ влияет изменение давления. Уменьшение или увеличение давления приводит к соответствующим изменениям объема, а поскольку количества веществ при этом не изменяются, будут изменяться концентрации реагирующих веществ.

Таким образом, выделять поверхность реагирующих веществ и давление в отдельные факторы, влияющие на скорость химических реакции, вряд ли целесообразно, так как их изменение в соответствующих реакциях равносильно изменению концентраций в гомогенной реакции.

Похожая информация.

С какой скоростью протекает та или иная химическая реакция зависит от множества факторов. Что же это за факторы, и как они влияют на химическую реакцию?

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции определяется изменением концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени при неизменном объеме системы.

Выражение для средней скорости химической реакции имеет вид:

v=c 2 -c 1 /t 2 -t 1 , где

Рис. 1. формула скорости химической реакции.

с 1 – концентрация вещества в момент времени t 1 ,

с 2 – концентрация вещества в момент времени t 2 (t 2 больше t 1)

Если концентрация относится к веществу, расходующемуся в процессе реакции, то соблюдаются следующие условия:

с 2 больше с 1 ; дельта с = с 2 -с 1 меньше 0

Если концентрация вещества относится к продукту реакции, то:

с 2 больше с 1 ; дельта с = с 2 -с 1 ,больше 0

Скорость реакции всегда положительна, поэтому в уравнении для средней скорости реакции перед дробью ставится знак минус.

Концентрацию вещества обычно выражают в моль/л, а время в секундах

По мере взаимодействия веществ концентрации непрерывно меняются, меняется и скорость химической реакции. В химической кинетике пользуются понятием истинной скорости, то есть изменением концентрации вещества за бесконечно малый промежуток времени.

Истинная скорость выражается производной концентрации данного вещества во времени

Факторы

Существует несколько факторов, влияющих на скорость химических реакций. Скорость химической реакции зависит от влияния природы реагирующих веществ, от концентрации реагирующих веществ, от температуры, от присутствия катализаторов и ингибиторов, а для веществ в твердом состоянии – от поверхности реагирующих веществ и других условий:

• природа реагирующих веществ . Химическая реакция протекает при соударении реагирующих частиц. Это соударение будет эффективным, если частица будет обладать определенным запасом энергии (энергия активации Еа). Значение Еа меньше у более активных веществ, в результате в реакцию вступает большее их число, реакция идет быстрее. Так, если реакция водорода с фтором или хлором будет протекать в темноте, то в случае с хлором скорость будет очень мала, а фтор будет реагировать со взрывом:

H 2 + F 2 =2HF (взрыв)

H 2 +Cl 2 =2HCl (скорость очень мала) – хлороводород

Рис. 2. Хлороводород.

• концентрация реагирующих веществ . Число столкновений частиц пропорционально числу частиц в единице объема, то есть концентрации. Зависимость выражается законом действия масс: скорость химической реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Закон действия масс действителен для реакций, протекающих в гомогенной (однофазной – жидкой или газовой) среде. Если реакция протекает в гетерогенной среде, то скорость зависит от состояния межфазной поверхности, на которой протекает реакция. При этом концентрация твердого вещества почти не изменяется и не учитывается уравнением закона действия масс.

Если в реакции участвуют газы, то скорость реакции зависит от давления: при увеличении давления пропорционально увеличиваются концентрации газов.

• температура . при увеличении температуры число активных молекул возрастает, и скорость реакции увеличивается. Согласно эмпирическому правилу Я.Г. Вант-Гоффа, при увеличении температуры на 10 градусов скорость реакции возрастает в 2-4 раза.
• катализаторы . Катализатор – это вещество, которое увеличивает скорость реакции, активно участвует в ней, но само в итоге не расходуется и химически не изменяется.

Бывают отрицательные катализаторы, замедляющие реакцию, их называют ингибиторами.

Рис. 3. Ингибиторы определение.

Роль катализатора – снижение энергии активации. Катализ бывает гомогенный (катализатор в той же фазе, что и реагенты) и гетерогенный (катализатор в другой фазе). В живых организмах процессы катализируются ферментами – биологическими катализаторами белковой природы.

Что мы узнали?

В 8 классе по химии важной темой является «Скорость химической реакции». Скорость химической реакции определяется изменением концентрации реагирующих веществ или продуктов реакции за единицу времени. Факторами, влияющими на эту скорость являются температура, давление, природа веществ, катализаторы.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 97.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства