СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.

 

Основные изучаемые понятия:

- скорость химических реакций

- молярная концентрация

- кинетика

- гомогенные и гетерогенные реакции

- факторы, влияющие на скорость химических реакций

- катализатор, ингибитор

- катализ

- обратимые и необратимые реакции

- химическое равновесие

 

Химические реакции – это реакции, в результате которых из одних веществ получаются другие (из исходных веществ образуются новые вещества). Одни химические реакции протекают за доли секунды (взрыв), другие же – за минуты, дни, годы, десятилетия и т.д.

Например: мгновенно с воспламенением и взрывом происходит реакция горения пороха, а реакция потемнения серебра или ржавления железа (коррозия) идёт так медленно, что проследить за её результатом можно лишь по истечении длительного времени.

Для характеристики быстроты химической реакции используют понятие скорости химической реакции – υ.

Скорость химической реакции – это изменение концентрации одного из реагирующих веществ реакции в единицу времени.

Формула вычисления скорости химической реакции:

υ = с2 – с1 = ∆ с
t2 – t1 ∆ t

где :

с1 – молярная концентрация вещества в начальный момент времени t1

с2 – молярная концентрация вещества в начальный момент времени t2

так как скорость химической реакции характеризуется изменением молярной концентрации реагирующих веществ (исходных веществ), то t2 > t1, а с2 > с1 (концентрация исходных веществ убывает по мере протекания реакции).

Молярная концентрация (с) – это количество вещества в единице объёма. Единица измерения молярной концентрации - [моль/л].

с = ν [моль/л]
V

Раздел химии, который изучает скорость химических реакций, называется химической кинетикой. Зная её законы, человек может управлять химическими процессами, задавать им определённую скорость.

При расчёте скорости химической реакции необходимо помнить, что реакции делятся на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные реакции– реакции, которые протекают в одной среде (т.е. реагирующие вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии; например: газ + газ, жидкость + жидкость).

Гетерогенные реакции – это реакции, протекающие между веществами в неоднородной среде (есть поверхность раздела фаз, т.е. реагирующие вещества находятся в разном агрегатном состоянии; например: газ + жидкость, жидкость + твёрдое вещество).

 

Данная выше формула расчёта скорости химической реакции справедлива только для гомогенных реакций. Если реакция гетерогенная, то она может идти только на поверхности разделе реагирующих веществ.

Для гетерогенной реакции скорость вычисляется по формуле:

υх.р. = ∆ν , где
S · ∆ t

∆ν – изменение количества вещества

S – площадь поверхности раздела фаз

∆ t – промежуток времени, за который проходила реакция

 

Скорость химических реакций зависит от разных факторов: природы реагирующих веществ, концентрации веществ, температуры, катализаторов или ингибиторов.

Зависимость скорости реакций от природы реагирующих веществ.

Разберём данную зависимость скорости реакции на примере: опустим в две пробирки, в которых находится одинаковое количество раствора соляной кислоты (HCl), одинаковые по площади гранулы металлов: в первую пробирку гранулу железа (Fe), а во вторую – гранулу магния (Mg). В результате наблюдений, по скорости выделения водорода (Н2), можно заметить, что с наибольшей скорость с соляной кислотой реагирует магний, чем железо. На скорость данной химической реакции оказывает влияние природа металла (т.е. магний более химически активный металл, чем железо, и поэтому он более энергично взаимодействует с кислотой).

Зависимость скорости химических реакций от концентрации реагирующих веществ.

Чем выше концентрация реагирующего (исходного) вещества, тем быстрее протекает реакция. И наоборот, чем меньше концентрация реагирующего вещества, тем медленнее идёт реакция.

Например: нальём в одну пробирку концентрированный раствор соляной кислоты (HCl), а в другую – разбавленный раствор соляной кислоты. Положим в обе пробирки по грануле цинка (Zn). Пронаблюдаем, по скорости выделения водорода, что реакция быстрее пойдёт в первой пробирке, т.к. концентрация соляной кислоты в ней больше, чем во второй пробирке.

Для определения зависимости скорости химической реакции применяют закон действия (действующих) масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, которые равны их коэффициентам.

Например, для реакции, протекающей по схеме: nA + mB → D , скорость химической реакции определяют по формуле:

υх.р. = k · C (A)n · C (B)m , где

υх.р - скорость химической реакции

C (A) – молярная концентрация вещества А

C (В) – молярная концентрация вещества В

n и m – их коэффициенты

k – константа скорости химической реакции (справочная величина).

 

Закон действия масс не распространяется на вещества, находящиеся в твёрдом состоянии, т.к. их концентрация постоянна (вследствие того, что они реагируют лишь на поверхности, которая остаётся неизменной).

Например: для реакции 2 Cu + O2 = 2CuO скорость реакции определяют по формуле:

υх.р. = k · C(O2)

 

ЗАДАЧА: Константа скорости реакции 2А + В = D равна 0,005. вычислить скорость реакции при молярной концентрации вещества А = 0,6 моль/л, вещества В = 0,8 моль/л.

Дано: k = 0,005 С(А) = 0,6 моль/л С(В) = 0,8 моль/л Решение: 1. Запишем уравнение реакции: 2А + В = D 2. Запишем закон действия масс для данной химической реакции: υх.р. = k · C(А)2 · С(В) Подставим численные значения: υх.р. = 0,005 · (0,6)2 · 0,8 = = 0,0015 моль/л Ответ: υх.р. = 0,0015 моль/л
υх.р. - ?

 

Зависимость скорости химической реакции от температуры.

Эта зависимость определяется правилом Вант – Гоффа (1884г.): при увеличении температура на каждые 10 Со скорость химической реакции увеличивается в среднем в 2 – 4 раза.

Так, взаимодействие водорода (Н2) и кислорода (О2) при комнатной температуре почти не происходит, так мала скорость этой химической реакции. Но при температуре 500 Со эта реакция протекает за 50 минут, а при температуре 700 Со – почти мгновенно.

Формула расчёта скорости химической реакции по правилу Вант – Гоффа:

    υ t2 = υ t1 · γ t2 - t1
10

 

где: υ t1 и υ t2 - скорости химических реакций при t2 и t1

γ – температурный коэффициент, который показывает во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры на 10 Со.

Изменение скорости реакции:

  υ t2 =   γ ∆t , где ∆t - разность температур
υ t1 10

 

ЗАДАЧА: Во сколько раз увеличится скорость растворения железа в соляной кислоте при повышении температуры на 30 Со, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2,8?

Дано: ∆t = 30 Со γ = 2,8

Решение:

1. Запишем формулу по правилу Вант – Гоффа:

  υ t2 =   γ ∆t
υ t1 10

 

2. Подставим данные из условия задачи в формулу:

  υ t2 =   2,8 30   = 2,8 3 = 21,952 ≈ 22
υ t1 10

 

Ответ: скорость реакции увеличится в 22 раза.
  υ t2   = ?
υ t1

 

 

Зависимость скорости реакций от специальных веществ – катализаторов и ингибиторов.

Катализатор – вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но само в ней не участвует.

Ингибитор – вещество, замедляющее химическую реакцию, но само в ней не участвующие.

Пример: в пробирку с раствором 3% перекиси водорода (Н2О2), которую нагрели, внесём тлеющую лучину – она не загорится, т.к. скорость реакции разложения перекиси водорода на воду (Н2О) и кислород (О2) очень мала, и образовавшегося кислорода недостаточно для проведения качественной реакции на кислород (поддержание горения). Теперь внесём в пробирку немного чёрного порошка оксида марганца (IV) (MnO2) и увидим, что началось бурное выделение пузырьков газа (кислорода), а внесённая в пробирку тлеющая лучина ярко вспыхивает. MnO2 – катализатор данной реакции, он ускорил скорость реакции, но сам в ней не участвовал (это можно доказать взвесив катализатор до и после проведения реакции – его масса не изменится).

Процесс изменения скорости химической реакции с помощью катализатора называется катализом, а реакции, идущие с помощью катализаторов – каталитическими реакциями.

Катализ нашёл широкое применение в химической и металлургической промышленности.

Биологические катализаторы белковой природы - это ферменты (они содержатся практически во всех живых организмах и ускоряют жизненно-важные химические реакции в клетках). Ферменты действуют в организме в строго определённом интервале температур и в определённой среде (кислой, щелочной или нейтральной).