Для чего необходимо учитывать скорость химических реакций не менее трех примеров

Кейс по теме «Скорость химической реакции»

«Скорость химических реакций» 9 класс

При проведении некоторых операций на сердце и нейрохирургических операций пациентов подвергают охлаждению, чтобы снизить скорость протекания в организме метаболических процессов. В других случаях наоборот, необходимо повышение температуры.

Для чего необходимо учитывать скорость химических реакций?

Назовите факторы, от которых зависит скорость химических реакций.

Приведите конкретные примеры зависимости скорости химической реакции от различных факторов.

Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за малые доли секунды, другие осуществляются за минуты, часы, дни; известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет, десятилетий и еще более длительных отрезков времени. Кроме того, одна и та же реакция может в одних условиях, например, при повышенных температурах, протекать быстро, а в других, — например, при охлаждении, — медленно; при этом различие в скорости одной и той же реакции может быть очень большим.

Знание скоростей химических реакций имеет очень большое научное и практическое значение. Например, в химической промышленности при производстве того или иного вещества от скорости реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта.

При рассмотрении вопроса о скорости реакции необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной системе ( гомогенные реакции ), и реакции, протекающие в гетерогенной системе ( гетерогенные реакции ).

Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы, гетерогенной — система, состоящая из нескольких фаз.

Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь (все газы при не очень высоких давлениях неограниченно растворяются друг в друге). Другим примером гомогенной системы может служить раствор нескольких веществ в одном растворителе. В каждом из этих двух случаев система состоит только из одной фазы: из газовой фазы в первом примере и из водного раствора во втором.

В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, уголь и сера в атмосфере воздуха. В последнем случае система состоит из трех фаз: двух твердых и одной газовой.

Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы. Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. Например, растворение металла в кислоте может протекать только на поверхности металла, потому что только здесь соприкасаются друг с другом оба реагирующие вещества. В связи с этим скорость гомогенной реакции и скорость гетерогенной реакции определяются различно.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы .

Например для реакции:

выражение для скорости будет выглядеть так:

.

Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

природа реагирующих веществ;

площадь поверхности реагирующих веществ.

Влияние концентраций веществ на скорость химической реакции

Чтобы вещества прореагировали, необходимо, чтобы их молекулы столкнулись. Вероятность столкновения двух людей на оживленной улице гораздо выше, чем на пустынной. Так и с молекулами. Очевидно, что вероятность столкновения молекул на рисунке слева выше, чем справа. Она прямо пропорциональна количеству молекул реагентов в единице объема, т.е. молярным концентрациям реагентов. Это можно продемонстрировать с помощью модели.

Влияние давления на скорость химической реакции

Давление сильно влияет на скорость реакций с участием газов, потому что оно непосредственно определяет их концентрации.

В уравнении Менделеева-Клапейрона:

Давление и молярная концентрация газа связаны прямо пропорционально. Поэтому в закон действующих масс мы можем подставлять вместо концентрации p/RT.

Влияние поверхности соприкосновения реагентов на скорость химической реакции

Скорость гетерогенной реакции прямо пропорциональна площади поверхности соприкосновения реагентов.

*Твердые вещества, участвующие в гетерогенной реакции, для увеличения скорости взаимодействия измельчают, чтобы увеличить площадь поверхности частиц. Например, уголь для приготовления пороха растирают в порошок. Жидкость для реакции с газом распыляют в мельчайшие капельки: так, дизельное топливо (смесь углеводородов) впрыскивают в камеру, где оно встречается с воздухом, через специальное устройство, обеспечивающее распыление.

Влияние природы реагентов на скорость химической реакции

Влияние температуры на скорость химической реакции

В интервале температур от 0 о С до 100 о С при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза:

где g – t температурный коэффициент, принимающий значения от 2 до 4.

Катализ и ингибирование

Многие катализаторы не просто ускоряют реакции, а ведут их по другому пути. Так, реакция окисления аммиака без катализатора:

не представляет никакого интереса для промышленности, а в результате каталитического окисления на платине:

В пищевой промышленности широко используются ингибиторы, предотвращающие гидролиз жиров, реакции окисления и брожения.

Источник

Урок»Скорость химической реакции.Факторы, влияющие на скорость химической реакции»

Разделы: Химия

Средства обучения: Д. мультимедийный проектор, компьютер, слайды по основным вопросам урока, CD-диск «Кирилл и Мефодий», таблицы на столах, протоколы лабораторной работы, лабораторное оборудование и реактивы;

Методы обучения: репродуктивный, исследовательский, частично поисковый;

Форма организации занятий: беседа, практическая работа, самостоятельная работа, тестирование;

Форма организации работы учащихся: фронтальная, индивидуальная, групповая, коллективная.

1. Организация класса

Прогнозируемая деятельность учеников

Готовность класса к работе.

2. Подготовка к основному этапу усвоения учебного материала. Активизация опорных знаний и умений (Слайд 1, см. презентацию к уроку).

Тема урока «Скорость химических реакций. Факторы, влияющие на скорость химической реакции».

Задача: выяснить, что есть скорость химической реакции, и от каких факторов она зависит. В ходе урока познакомимся с теорией вопроса по вышеназванной теме. На практике подтвердим некоторые наши теоретические предположения.

Прогнозируемая деятельность учеников

Активная работа учащихся показывает их готовность к восприятию темы урока. Нужны знания учащихся о скорости химической реакции из курса 9 класса (внутрипредметная связь).

Обсудим следующие вопросы (фронтально, слайд 2):

Рассмотрим два примера (эксперимент проводит учитель).

На столе – две пробирки, в одной раствор щелочи (КOH), в другой – гвоздь; в обе пробирки приливаем раствор CuSO4. Что мы наблюдаем?

Прогнозируемая деятельность учеников

На примерах учащиеся судят о скорости реакций и делают соответствующие выводы. Запись на доске проделанных реакций (двое учащихся).

В первой пробирке реакция произошла мгновенно, во второй – видимых изменений пока нет.

Составим уравнения реакций (два ученика записывают на доске уравнения):

Какой вывод по проведённым реакциям мы можем сделать? Почему одна реакция идёт мгновенно, другая медленно? Для этого необходимо вспомнить, что есть химические реакции, которые протекают во всём объёме реакционного пространства (в газах или растворах), а есть другие, протекающие лишь на поверхности соприкосновения веществ (горение твёрдого тела в газе, взаимодействие металла с кислотой, солью менее активного металла).

Прогнозируемая деятельность учеников

По результатам демонстрированного эксперимента учащиеся делают вывод: реакция 1 – гомогенная, а реакция

Скорости этих реакций будут математически определяться по-разному.

Учение о скоростях и механизмах химических реакций называется химической кинетикой.

3. Усвоение новых знаний и способов действий (Слайд 3)

Скорость реакции определяется изменением количества вещества в единицу времени

На единице поверхности соприкосновения веществ S (для гетерогенной)

Очевидно, что при таком определении величина скорости реакции не зависит от объёма в гомогенной системе и от площади соприкосновения реагентов – в гетерогенной.

Прогнозируемая деятельность учеников

Активные действия учащихся с объектом изучения. Занесение таблицы в тетрадь.

Из этого следуют два важных момента (слайд 4):

1) по приведённым формулам можно рассчитать лишь некоторую среднюю скорость данной реакции в выбранном интервале времени (ведь для большинства реакций скорость уменьшается по мере их протекания);

2) рассчитанная величина скорости будет зависеть от того, по какому веществу её определяют, а выбор последнего зависит от удобства и лёгкости измерения его количества.

4. Закрепление первичных знаний о скорости химической реакции

Для закрепления рассмотренного материала решим расчетную задачу.

Прогнозируемая деятельность учеников

Первичное осмысление полученных знаний о скорости реакции. Правильность решения задачи.

Задача (слайд 5). Химическая реакция протекает в растворе, согласно уравнению: А+В = С. Исходные концентрации: вещества А – 0,80 моль/л, вещества В – 1,00 моль/л. Через 20 минут концентрация вещества А снизилась до 0, 74 моль/л. Определите: а) среднюю скорость реакции за этот промежуток времени;

б) концентрацию вещества В через 20 мин. Решение (приложение 4, слайд 6).

5. Усвоение новых знаний и способов действий (проведение лабораторной работы в ходе повторения и изучения нового материала, поэтапно, приложение 2).

Нам известно, что на скорость химической реакции влияют разные факторы. Какие?

Прогнозируемая деятельность учеников

Опора на знания 8-9 классов, запись в тетради по ходу изучения материала. Перечисляют (слайд 7):

-природа реагирующих веществ;

-концентрация реагирующих веществ;

-поверхность соприкосновения реагирующих веществ (в гетерогенных реакциях).

Влияние всех перечисленных факторов на скорость реакции можно объяснить, используя простую теорию – теорию столкновений (слайд 8). Основная идея её такова: реакции происходят при столкновении частиц реагентов, которые обладают определённой энергией.

Отсюда можно сделать выводы:

Минимальный избыток энергии (над средней энергией частиц в системе), необходимый для эффективного соударения частиц в системе), необходимый для эффективного соударения частиц реагентов, называется энергией активации Е_а.

Прогнозируемая деятельность учеников

Осмысливание понятия и запись определения в тетрадь.

Таким образом, на пути всех частиц, вступающих в реакцию, имеется некоторый энергетический барьер, равный энергии активации. Если он маленький, то находится много частиц, которые успешно его преодолевают. При большом энергетическом барьере необходима дополнительная энергия для его преодоления, иногда достаточно хорошего «толчка». Я зажигаю спиртовку – я сообщаю дополнительную энергию Е_а, необходимую для преодоления энергетического барьера в реакции взаимодействия молекул спирта с молекулами кислорода.

Рассмотрим факторы, которые влияют на скорость реакции.

1) Природа реагирующих веществ (слайд 9). Под природой реагирующих веществ понимают их состав, строение, взаимное влияние атомов в неорганических и органических веществах.

Величина энергии активации веществ – это фактор, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции.

Рассмотрим таблицу (приложение 1, на столах), зависимости скорости реакции от природы реагирующих веществ.

Проводим опыт 1 из лабораторной работы (приложение 2), оформляем результаты в отчёте.

Прогнозируемая деятельность учеников

Начало работы в протоколах по проведению практической работы (приложение 2).

В качестве закрепления знаний выполняем задание (слайд 10).

-Объясните разную скорость взаимодействия цинка и магния с уксусной кислотой; цинка с соляной и уксусной кислотой. Напишите соответствующие реакции (в протоколе).

2) Температура (слайд 11). Учащиеся знают, что в большинстве случаев при повышении t скорость реакции увеличивается.

Учитель просит объяснить эту закономерность на основе теории столкновений.

Прогнозируемая деятельность учеников

Предположения учащихся, аргументированные высказывания.

Предполагаемый ответ связан со столкновениями и эффективными соударениями.

Учитель отмечает, что учащиеся рассуждают правильно, но всё-таки большее значение имеет второй фактор, так как расчёты показывают, что при увеличении температуры на каждые 10 0 С общее число столкновений увеличивается только на 1,6 %, а скорость реакции увеличивается в 2-4 раза (на 100-300%)!

Прогнозируемая деятельность учеников

Осмысливают определение и записывают его в тетрадь.

Последнее заключение на основе экспериментальных исследований сделал в прошлом веке голландский физикохимик Я. Вант-Гофф (первый нобелевский лауреат по химии).

Число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 0 С, называют температурным коэффициентом.

Правило Вант-Гоффа математически выражается следующей формулой:

где υ₂–скорость реакции при температуре t₂, υ₁– скорость реакции при температуре t₁, γ – температурный коэффициент.

Решим задачу с использованием правила Вант – Гоффа.

Прогнозируемая деятельность учеников

Практическое применение полученных знаний.

Определите, как изменится скорость некоторой реакции: а) при повышении температуры от 10 до 50 0 С; б) при понижении температуры от 10 0 – 0 0 С. Температурный коэффициент реакции равен 3. Решение (приложение 4, слайд 13)

Проведение опыта № 2 из практической работы.

3) Концентрации реагирующих веществ (слайд 14).

Известно, чем больше концентрации реагирующих веществ, тем больше скорость химической реакции. Дайте этому объяснение.

Ответ. Непременным условием химического взаимодействия является столкновение частиц исходных веществ, чем больше концентрация, тем больше число столкновений, а среди них и эффективных соударений.

Уточняем. Термин «концентрация» обычно используется по отношению к растворам, но его можно применить и к газам. В этом случае о концентрации судят по давлению газов.

Проведение опыта 4 из практической работы. Выводы.

На основе большого экспериментального материала в 1867 г. норвежские учёные К. Гульдберг, и П Вааге и независимо от них в 1865 г. русский учёный Н.И. Бекетов сформулировали основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ: скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях равных их коэффициентам в уравнении реакции.

Этот закон ещё называют законом действующих масс (слайд 15).

По закону действующих масс скорость реакции, уравнение которой А+В=С может быть вычислена по формуле: v₁= k₁C_AC_B, а скорость реакции, уравнение которой А+2В=D, может быть вычислена по формуле:

В этих формулах: C_Aи C_B – концентрации веществ А и В (моль/л), k₁ и k₂ – коэффициенты пропорциональности, называемые константами скоростей реакции. Эти формулы также называют кинетическими уравнениями.

Константа скорости реакции, конечно, зависит от температуры, ведь чем больше температура, тем больше скорость реакции при тех же самых концентрациях реагирующих веществ. Закон действующих масс учитывает лишь концентрации газообразных или растворённых веществ и не учитывает концентрации твёрдых веществ (так как они считаются постоянными).

Для закрепления рассмотренного материала выполняются следующие задания.

Прогнозируемая деятельность учеников

Самостоятельное решение в парах, взаимное консультирование (слайд 16).

Задание 1. Составьте кинетические уравнения для следующих реакций:

Как изменится скорость реакции, имеющей кинетическое уравнение

v= kC_A 2 C_B, если А) концентрацию вещества А увеличить в 3 раза;

Б) концентрацию обоих веществ увеличить в 2 раза. Решение (прил. 4, слайд 17).

4) Действие катализаторов (слайд 18).

Прогнозируемая деятельность учеников

Учащиеся без особого труда вспоминают ответы на заданные вопросы.

1.Что такое катализатор и каталитические реакции?

2. Приведите примеры известных вам каталитических реакций из органической и неорганической химии. Укажите названия веществ – катализаторов.

3. Выскажите предположение о механизме действия катализаторов (на основе теории столкновений).

4. Каково значение каталитических реакций?

Уточняем второе задание. Реагенты и катализатор могут находиться в одном агрегатном состоянии, тогда говорят, что речь идет о гомогенном катализе. Например, ферментно-каталитические реакции в клетках организма проходят в водном растворе. Напротив, во многих важных промышленных процессах используется гетерогенный катализ, при котором реагенты и катализатор находятся в разных агрегатных состояниях. Обычно это смесь жидкости или газов, реагирующих в присутствии твердого катализатора.

Демонстрация коллекции катализаторов (активированный уголь, железо, медь, оксид марганца IV, оксид хрома III, хлорид алюминия, сульфат меди II, вода, дрожжи и др.)

Прогнозируемая деятельность учеников

Учащиеся прослушивают сообщение учащегося по ферментам (3 мин). Задают вопросы выступающему. Проводят эксперимент по действию катализатора на скорость химической реакции, оформляют протокол, делают выводы.

Кроме катализаторов ускоряющих реакции, есть другие вещества противоположного действия. Это ингибиторы, они реагируют с активными частицами с образованием малоактивных соединений, а потому замедляют протекание реакций. И такие вещества тоже нужны, чтобы предотвращать нежелательные процессы.

Демонстрация опыта с применением ингибитора.

5) Поверхность соприкосновения реагирующих веществ (слайд 19).

— В каком случае следует обсуждать этот фактор, влияющий на скорость реакции?

Приведите примеры гетерогенных реакций:

Вспоминаем формулу для вычисления средней скорости гетерогенной реакции:

При таком определении величина скорости гетерогенной реакции не зависит от площади этой поверхности, т.е. степени измельчения. Такая формула удобна в научных целях при изучении скорости реакции.

Прогнозируемая деятельность учеников

Лабораторный опыт с наблюдением и выводом. Заполнение протокола. Проведение лабораторного опыта № 5 обсуждение наблюдений, выводы.

Есть и другие причины, способствующие изменению скорости реакций в гетерогенных процессах (помимо площади соприкосновения реагентов):

6. Подведение итогов лабораторной работы

Приводим рабочие места в порядок и продолжим урок.

Обсудим выводы, к которым вы пришли, наблюдая за протеканием реакций

(В протокол работы заложена цель выполнения каждого пункта, поэтому формулировка выводов не вызывает затруднений)

Учащиеся четко формулируют выводы.

7. Контроль и самопроверка знаний

Цель: проверить качество усвоения учебного материала.

Проведение тестирования на компьютерах (CD-диск «Кирилл и Мефодий»), сетевая версия. Оценка выставляется компьютером.

8. Подведение итогов занятия, выставление и комментирование оценок за работу на уроке

Все основные выводы (слайд 20,21), которые были сделаны на уроке.

Прогнозируемая деятельность учеников

Осмысленное восприятие учебного материала

9. Домашнее задание.

Составить обобщающую таблицу. Приложение 3.

Самостоятельная формулировка выводов (приложение 3 дома)

Источник

Скорость химических реакций в химии

Содержание:

Скорость химической реакции — это величина, показывающая как изменяются концентрации исходных веществ или продуктов реакции за единицу времени.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Скорость химических реакций

Сущность химических реакций сводится к разрыву связей в исходных веществах и возникновению новых связей в продуктах реакции. При этом общее число атомов каждого элемента до и после реакции остается постоянным. Поскольку образование связей происходит с выделением, а разрыв связей — с поглощением энергии, то химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами. Очевидно, если разрушаемые связи в исходных веществах менее прочны, чем образующиеся в продуктах реакции, то энергия выделяется, и наоборот. Обычно энергия выделяется и поглощается в форме теплоты.

Со скоростью химических реакций связаны представления о превращении веществ, а также экономическая эффективность их получения в промышленных масштабах. Учение о скоростях и механизмах химических реакций называется химической кинетикой.

Под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени при неизменном объеме системы.

При этом безразлично, о каком из участвующих в реакции веществе идет речь: все они связаны между собой уравнением реакции, и по изменению концентрации одного из веществ можно судить о соответствующих изменениях концентраций всех остальных. Обычно концентрацию выражают в моль/л, а время — в секундах или минутах. Если, например, исходная концентрация одного из реагирующих веществ составляла 1 моль/л, а через 4 с от начала реакции она стала 0,6 моль/л, то средняя скорость реакции будет равна (1—0,6)/4= 0,1 моль/(лс).

Рассмотрим в общем виде скорость реакции, протекающей по уравнению

По мере расходования вещества А скорость реакции уменьшается (как это показано на рис. 4.1).

Отсюда следует, что скорость реакции может быть определена лишь для некоторого промежутка времени. Так как концентрация вещества А в момент времени измеряется величиной , а в момент — величиной , то за промежуток времени изменение концентрации вещества составит , откуда определится средняя скорость реакции :

Знак минус ставится потому, что, несмотря на убывание концентрации вещества А и, следовательно, на отрицательное значение разности , скорость реакции может быть только положительной величиной. Можно также следить за изменением концентрации одного из продуктов реакции — веществ С или D; она в ходе реакции будет возрастать, и потому в правой части уравнения нужно ставить знак плюс.

Поскольку скорость реакции все время изменяется, то в химической кинетике рассматривают только истинную скорость реакции , т. е. скорость в данный момент времени.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий протекания реакции: концентрации С, температуры t, присутствия катализаторов, а также от некоторых других факторов (например, от давления — для газовых реакций, от измельчения — для твердых веществ, от радиоактивного облучения).

Влияние концентраций реагирующих веществ

Чтобы осуществлялось химическое взаимодействие веществ А и В, их молекулы (частицы) должны столкнуться. Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. Число же столкновений тем больше, чем выше концентрация реагирующих веществ. Отсюда иа основе обширного экспериментального материала сформулирован основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ:

скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для реакции (I) этот закон выразится уравнением

где и — концентрации веществ А и В, моль/л; — коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции. Основной закон химической кинетики часто называют законом действующих масс.

Из уравнения (4.2) нетрудно установить физический смысл константы скорости : она численно равна скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующих веществ составляют 1 моль/л или когда их произведение равно единице.

Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от их концентраций.

Уравнение (4.2), связывающее скорость реакции с концентрацией реагирующих веществ, называется кинетическим уравнением реакции. Если опытным путем определено кинетическое уравнение реакции, то с его помощью можно вычислять скорости при других концентрациях тех же реагирующих веществ.

Основной закон химической кинетики не учитывает реагирующие вещества, находящиеся в твердом состоянии, ибо их концентрации постоянны и они реагируют лишь на поверхности. Так, например, для реакции горения угля: кинетическое уравнение реакции имеет вид: , где — константа скорости, — концентрация твердого вещества; S — площадь поверхности. Это величины постоянные. Обозначив произведение постоянных величин через , получим , т. е. скорость реакции пропорциональна только концентрации кислорода.

Влияние температуры

Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа:

при повышении температуры на каждые 10° скорость большинства реакций увеличивается в 2—4 раза.

Математически эта зависимость выражается соотношением

где , — скорости реакции соответственно при начальной и конечной температурах, а — температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10°.

Правило Вант-Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реакции. Температура влияет на скорость химической реакции, увеличивая константу скорости.

Энергия активации

Сильное изменение скорости реакции с изменением температуры объясняет теория активации. Согласно этой теории в химическое взаимодействие вступают только активные молекулы (частицы), обладающие энергией, достаточной для осуществления данной реакции. Неактивные частицы можно сделать активными, если сообщить им необходимую дополнительную энергию, — этот процесс называется активацией. Один из способов активации — увеличение температуры: при повышении температуры число активных частиц сильно возрастает, благодаря чему резко увеличивается скорость реакции.

Энергия, которую надо сообщить молекулам (частицам) реагирующих веществ, чтобы превратить их в активные, называется энергией активации.

Ее определяют опытным путем, обозначают буквой и обычно выражают в кДж/моль. Так, например, для соединения водорода и иода = 167,4 кДж/моль, а для распада иодоводорода = 186,2 кДж/моль.

Энергия активации зависит от природы реагирующих веществ и служит характеристикой каждой реакции. Эти представления поясняются рис. 4.2 на примере реакции в общем виде: . Ось ординат характеризует потенциальную энергию системы, ось абсцисс — ход реакции: исходное состояние переходное состояние конечное состояние. Чтобы реагирующие вещества и образовали продукт реакции АВ, они должны преодолеть энергетический барьер С (рис. 4.2). На это затрачивается энергия активации , на значение которой возрастает энергия системы. При этом в ходе реакции из частиц реагирующих веществ образуется промежуточная неустойчивая группировка, называемая переходным состоянием или активированным комплексом (в точке С), последующий распад которого приводит к образованию конечного продукта АВ. Механизм реакции можно изобразить схемой

Если при распаде активированного комплекса выделяется больше энергии, чем это необходимо для активации частиц, то реакция экзотермическая. Примером эндотермической реакции служит обратный процесс — образование из вещества АВ веществ и : . В этом случае процесс протекает также через образование активированного комплекса , однако энергия активации больше, чем для прямого процесса: ( —тепловой эффект реакции). Для протекания эндотермических реакций требуется подвод энергии извне.

Как видно из рис. 4.2, разность энергий конечного состояния системы () и начального () равна тепловому эффекту реакции (см. § 1.8):

Скорость реакции непосредственно зависит от значения энергии активации: если оно мало, то за определенное время протекания реакции энергетический барьер преодолеет большое число частиц и скорость реакции будет высокой, но если энергия активации велика, то реакция идет медленно.

При взаимодействии ионов энергия активации очень мала и ионные реакции протекают с очень большой скоростью (практически мгновенно).

Понятие о катализе и катализаторах

Увеличить скорость реакции можно с помощью катализаторов. Применять катализаторы выгоднее, чем повышать температуру, тем более, что ее повышение далеко не всегда возможно.

Катализаторами называются вещества, изменяющие скорость химических реакций.

Одни катализаторы сильно ускоряют реакцию — положительный катализ, или просто катализ, другие — замедляют — отрицательный катализ. Примерами положительного катализа могут служить получение серной кислоты, окисление аммиака в азотную кислоту с помощью платинового катализатора и др. Примерами отрицательного катализа являются замедление взаимодействия раствора сульфита натрия с кислородом воздуха в присутствии этилового спирта или уменьшение скорости разложения пероксида водорода в присутствии небольших количеств серной кислоты (0,0001 мае. частей) и др. Отрицательный катализ часто называют ингибированием, а отрицательные катализаторы, снижающие скорость реакции, — ингибиторами (механизм действия последних отличен от действия катализаторов).

Химические реакции, протекающие при участии катализаторов, называют каталитическими.

Каталитическое воздействие может быть оказано на большинство химических реакций. Число катализаторов очень велико, а их каталитическая активность весьма различна. Она определяется изменением скорости реакции, вызываемым катализатором.

Сам катализатор в реакциях не расходуется и в конечные продукты не входит.

Различают два вида катализа — гомогенный (однородный) и гетерогенный (неоднородный) катализ.

При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют однофазную систему — газовую или жидкую, между катализатором и реагирующими веществами отсутствует поверхность раздела. Например, каталитическое разложение пероксида водорода в присутствии раствора солей (жидкая фаза). Для гомогенного катализа установлено, что скорость химической реакции пропорциональна концентрации катализатора.

При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют систему из разных фаз. В этом случае между катализатором и реагирующими веществами существует поверхность раздела. Обычно катализатор — твердое вещество, а реагирующие вещества — газы или жидкости. Примерами могут служить окисление аммиака (газообразная фаза) в присутствии платины (твердая фаза) или разложение пероксида водорода (жидкая фаза) в присутствии угля или оксида марганца (IV) (твердая фаза). Все реакции при гетерогенном катализе протекают на поверхности катализатора. Поэтому активность твердого катализатора зависит и от свойств его поверхности (размера, химического состава, строения и состояния).

Действие положительных катализаторов сводится к уменьшению энергии активации реакции, другими словами, — к снижению высоты энергетического барьера (см. рис. 4.2, пунктирная кривая). При этом образуется активированный комплекс с более низким уровнем энергии и скорость реакции сильно возрастает.

Механизм действия катализаторов обычно объясняют образованием промежуточных соединений с одним из реагирующих веществ. Так, если медленно протекающую реакцию А+В = АВ вести в присутствии катализатора К, то катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение:

Реакция протекает быстро, так как энергия активации этого процесса мала. Затем промежуточное соединение АК взаимодействуете другим исходным веществом, при этом катализатор высвобождается:

Энергия активации этого процесса также мала, а потому реакция протекает с достаточной скоростью. Если теперь оба процесса, протекающие одновременно, суммировать, то получим окончательное уравнение быстро протекающей реакции:

Приведем конкретный пример — окисление в с участием катализатора :

Эта реакция протекает медленно. Но при введении катализатора образуется промежуточное соединение:

Поверхность катализатора неоднородна. На ней имеются так называемые активные центры, на которых главным образом и протекают каталитические реакции. Реагирующие вещества адсорбируются на этих центрах, в результате чего увеличивается концентрация их на поверхности катализатора. А это отчасти приводит к ускорению реакции. Но главной причиной возрастания скорости реакции является сильное повышение химической активности адсорбированных молекул. Под действием катализатора у адсорбированных молекул ослабляются связи между атомами и они становятся более реакционноспособными. И в этом случае реакция ускоряется благодаря снижению энергии активации (в том числе за счет образования поверхностных промежуточных соединений).

Некоторые вещества снижают или полностью уничтожают активность твердого катализатора. Такие вещества называются каталитическими ядами. В качестве примера можно привести соединения мышьяка, ртути, свинца, цианистые соединения, к которым особенно чувствительны платиновые катализаторы. В производственных условиях реагирующие вещества подвергают очистке от каталитических ядов, а уже отравленные катализаторы регенерируют.

Однако имеются и такие вещества, которые усиливают действие катализаторов данной реакции, хотя сами катализаторами не являются. Эти вещества называются промоторами (промотирование платиновых катализаторов добавками железа, алюминия и др.).

Следует особо отметить, что действие катализаторов избирательно, поэтому, применяя разные катализаторы, можно получить из одного и того же вещества разные продукты. Так, например, в присутствии катализатора оксида алюминия при 300 С из этилового спирта получают воду и этилен:

При той же температуре, но в присутствии мелко раздробленной меди, из этилового спирта образуются водород и уксусный альдегид:

Опыт показывает, что для каждой реакции имеется свой оптимальный катализатор.

Роль катализаторов в химическом производстве исключительно велика. Получение серной кислоты, синтез аммиака, получение из твердого угля жидкого топлива, переработка нефти и природного газа, получение искусственного каучука, пластмасс, гидрогенизация жиров — вот далеко не полный перечень важнейших производств, где применяются катализаторы. Очевидно, поиски новых, все более совершенных катализаторов будут способствовать повышению производительности труда и снижению себестоимости продукции.

Особую роль играют биологические катализаторы — ферменты. При их участии протекают сложные химические процессы в растительных и животных организмах.

Необратимые и обратимые реакции

Реакции, которые протекают только в одном направлении и завершаются полным превращением исходных реагирующих веществ в конечные вещества, называются необратимыми.

Примером такой реакции может служить разложение хлората калия (бертолетовой соли) при нагревании:

Реакция прекратится тогда, когда весь хлорат калия превратится в хлорид калия и кислород. Необратимых реакций не так много. Большинство реакций являются обратимыми.

Обратимыми называются такие реакции, которые одновременно протекают в двух взаимно противоположных направлениях.

В уравнениях обратимых реакций между левой и правой частями ставят две стрелки, направленные в противоположные стороны. Примером такой реакции может служить синтез аммиака из водорода и азота:

В технике обратимые реакции, как правило, невыгодны. Поэтому различными методами (изменение температуры, давления и др.) их делают практически необратимыми.

Необратимыми называются такие реакции, при протекании которых:

1) образующиеся продукты уходят из сферы реакции — выпадают в виде осадка, выделяются в виде газа, например

2) образуется малодиссоциированное (см. § 5.10) соединение, например вода:

3) реакция сопровождается большим выделением энергии, например горение магния

В уравнениях необратимых реакций между левой и правой частями ставится знак равенства или стрелка.

Химическое равновесие

Обратимые реакции не доходят до конца и заканчиваются установлением химического равновесия. Например, в реакции синтеза аммиака (§ 10.4) равновесие наступает тогда, когда в единицу времени образуется столько же молекул аммиака, сколько их распадается на азот и водород. Следовательно,

химическое равновесие можно определить как такое состояние системы реагирующих веществ, при котором скорости прямой и обратной реакций равны между собой.

В состоянии равновесия прямая и обратная реакции не прекращаются. Поэтому такое равновесие называется подвижным или динамическим равновесием. И поскольку действие обеих реакций взаимно уничтожается, то в реагирующей смеси видимых изменений не происходит: концентрации всех реагирующих веществ — как исходных, так и образующихся — остаются строго постоянными. Концентрации реагирующих веществ, которые устанавливаются при химическом равновесии, называются равновесными. Они обычно обозначаются формулами реагирующих веществ, заключенными в квадратные скобки, например , , , тогда как неравновесные концентрации обозначают так: , , .

На состояние химического равновесия оказывают влияние концентрация реагирующих веществ, температура, а для газообразных веществ — и давление. При изменении одного из этих параметров равновесие нарушается и концентрация всех реагирующих веществ изменяется до тех пор, пока не установится новое равновесие, но уже при иных значениях равновесных концентраций. Подобный переход реакционной системы от одного состояния равновесия к другому называется смещением (или сдвигом) химического равновесия. Если при изменении условий увеличивается концентрация конечных веществ, то говорят о смещении равновесия в сторону продуктов реакции. Если же увеличивается концентрация исходных веществ, то равновесие смещается в сторону их образования.

Принцип Ле Шателье

Направление смещения химического равновесия при изменениях концентрации реагирующих веществ, температуры и давления (в случае газовых реакций) определяется общим положением, известным под названием принципа подвижного равновесия или принципа Ле Шателье:

если на систему, находящуюся в равновесии, производится какое-либо внешнее воздействие (изменяется концентрация, температура, давление), то оно благоприятствует протеканию той из двух противоположных реакций, которая ослабляет воздействие.

Поясним это на примере реакции синтеза аммиака:

Если внешнее воздействие выражается в увеличении концентрации азота или водорода, то оно благоприятствует реакции, вызывающей уменьшение концентрации этих веществ, и, следовательно, равновесие сместится в сторону образования аммиака. Соответственно увеличение концентрации аммиака смещает равновесие в сторону исходных веществ.

Поскольку прямая реакция, как видно из уравнения, протекает с выделением теплоты, повышение температуры смеси благоприятствует протеканию реакции с поглощением теплоты, и равновесие сместится в сторону исходных веществ; понижение температуры вызовет смещение равновесия в сторону продукта реакции.

Чтобы определить влияние давления на смещение равновесия, необходимо подсчитать число молекул в левой и правой частях уравнения. В приведенном примере в левой части уравнения содержится две молекулы, а в правой — одна. Поскольку увеличение давления должно благоприятствовать процессу, ведущему к уменьшению числа молекул, то в данном случае равновесие сместится в сторону продукта реакции. Очевидно, уменьшение давления сместит равновесие в сторону исходных веществ.

Если же в уравнении обратимой реакции число молекул в левой части равно числу молекул в правой части, например

то изменение, давления не вызывает смещения химического равновесия.

Следует заметить, что все катализаторы одинаково ускоряют как прямую, так и обратную реакции и поэтому на смещение равновесия влияния не оказывают, а только способствуют более быстрому его достижению.

Способы смещения равновесия в желаемом направлении, основанные на принципе Лe Шателье, играют огромную роль в химии. Синтез аммиака и многие другие промышленные процессы были освоены благодаря применению способов смещения равновесия в направлении, обеспечивающем высокий выход получаемого вещества.

Во многих процессах смещение химического равновесия в сторону продуктов реакции достигается путем вывода образующихся веществ из сферы реакции. Так, например, чтобы сместить равновесие в реакции этерификации

в сторону образования метилацетата, в систему вводят серную кислоту, поглощающую воду.

Скорость химических реакций очень кратко и подробно

Вы знаете, что химия изучает не только свойства и строение веществ, но и процессы превращения веществ друг в друга — химические реакции. На практике вы встречались с реакциями, которые протекают медленно, месяцами, как, например, коррозия железа. Многие реакции в растворах (между основаниями и кислотами, между солями) заканчиваются очень быстро, а некоторые реакции происходят мгновенно, например, взрывы. Следовательно, различные химические реакции происходят с самыми разными скоростями. Раздел химии, изучающий скорости химических реакций, называют химической кинетикой. Основным понятием в химической кинетике является понятие о скорости реакции. Для количественной характеристики скорости реакции используют изменение количества вещества или концентрации либо реагента, либо продукта химической реакции.

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагента или продукта химической реакции во времени. Пусть для реакции концентрация вещества А в момент времени в момент времени равна Тогда математическое выражение для средней скорости V следующее:

Знак «минус» ставят по следующей причине. По мере протекания реакции концентрация вещества А убывает, следовательно,

будет иметь отрицательное значение, а скорость реакции всегда положительна, то перед дробью следует ставить знак «минус». Скорость реакции измеряют в

Существуют гомогенные и гетерогенные химические реакции.

Гомогенными называют химические реакции, протекающие в однородной среде (например, в жидком растворе или газовой фазе).

Гетерогенными называют реакции, происходящие между веществами, находящимися в разных фазах (например, газовой и жидкой, твердой и жидкой и др.).

Скорость гомогенной реакции определяется изменением количества одного из реагирующих веществ, вступивших в реакцию или образующихся в результате реакции веществ в единицу времени в единице объема:

Скорость гетерогенной реакции определяется числом молей веществ, вступивших в реакцию или образующихся в результате реакции в единицу времени на единице поверхности:

где — площадь поверхности твердой фазы, — изменение количества вещества. В гетерогенных реакциях скорость не выражают через концентрацию, поскольку вещества реагируют не в объеме, а на поверхности.

Химическая реакция является результатом столкновения частиц (атомы, молекулы, ионы) исходных веществ; чем чаще столкновения, тем быстрее осуществляется химическая реакция.

Химические реакции происходят с самыми разными скоростями. Раздел химии, изучающий скорости химических реакций, называют химической кинетикой. Основным понятием в химической кинетике является понятие о скорости реакции. Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагента или продукта химической реакции во времени. Химическая реакция является результатом столкновения частиц реагирующих веществ; чем чаще столкновения, тем быстрее осуществляется химическая реакция.

Существуют гомогенные и гетерогенные химические реакции. Гомогенными называют химические реакции, протекающие в однородной среде. Гетерогенными называют реакции, происходящие между веществами, находящимися в разных фазах.

Факторы влияющие на скорость химической реакции

Скорость химической реакции зависит от ряда факторов, из которых важнейшими являются химическая природа реагирующих веществ, их концентрация, температура и присутствие катализатора. Рассмотрим факторы, влияющие на скорость химических реакций.

Природа реагирующих веществ

Природа реагирующих веществ оказывает решающее влияние на скорость реакции. Например, водород с фтором реагирует очень энергично (со взрывом) уже при комнатной температуре, а реакция водорода с йодом — только при нагревании до Говоря о влиянии природы реагирующих веществ на скорость химической реакции, следует отметить, что в ходе реакции химические связи частиц реагентов разрушаются и образуются новые связи между частицами продукта реакции. Реакции в газовой фазе протекают с более высокой скоростью, чем в растворах, а в растворах — быстрее, чем в твердой фазе.

Влияние концентрации реагентов

Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ. Известно, что химическое взаимодействие осуществляется при столкновении частиц, поэтому чем больше их концентрация, тем чаще сталкиваются молекулы реагирующих веществ во время своего хаотического движения. Влияние концентрации взаимодействующих веществ распространяется на газовые смеси и растворы.

На скорость реакций с участием газов также влияет давление, потому что оно непосредственно определяет их концентрации.

Гомогенные реакции протекают во всем объеме, и скорость гомогенных реакций зависит от концентраций реагентов.

Гетерогенные реакции протекают на поверхности твердых веществ.

Скорость гетерогенной реакции зависит от поверхности соприкосновения реагирующих веществ. Так, например, кусочек мела с соляной кислотой реагирует с замедленной скоростью, а мелко измельченный мел реагирует достаточно бурно. При размельчении мела поверхность соприкосновения увеличивается, следовательно, увеличивается количество молекул, соответственно возрастает и скорость реакции.

Зависимость скорости реакции от темпера туры

Большое влияние на скорость химической реакции оказывает температура. С повышением температуры скорость химической реакции, как правило, возрастает. При повышении температуры на Ю С скорость реакции увеличивается в 2—4 раза, потому что при повышении температуры возрастает скорость движения молекул веществ, и соответственно увеличивается число столкновений между ними. Таким образом, скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ, концентрации (от давления газа), температуры и др.

На скорость химических реакций влияет природа реагирующих веществ, концентрация (от давления газа), температура и др. Влияние концентрации взаимодействующих веществ распространяется на газовые смеси и растворы. С повышением температуры скорость химической реакции, как правило, возрастает. При повышении температуры на скорость реакции увеличивается в 2—4 раза.

Катализаторы и ингибиторы

Большое влияние на скорость реакции оказывает присутствие в реагирующей системе катализатора.

Вещества которые изменяют химические реакции» но сами в итоге не расходуются» называют катализаторами.

Например, добавка небольшого количества диоксида марганца к раствору пероксида водорода значительно увеличивает скорость ее разложения на кислород и воду.

Реакции, протекающие под действием катализаторов, называют каталитическими. Влияние катализаторов на скорость реакции называется катализом. Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенным называют катализ» при котором реагенты и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии (газообразном или жидком). Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания.

Гетерогенным называют катализ при котором реагенты и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях: чаще всего катализатор — в твердом, а реагирующие — в жидком или газообразном. В качестве гетерогенных катализаторов применяют металлы, их оксиды и др.

Катализ широко распространен в природе, он играет огромную роль в жизнедеятельности организмов. Особенно сильно воздействуют на скорость реакции биологические катализаторы — ферменты. Превращения в организме белков, жиров и углеводов происходят с участием ферментов, поэтому биохимические процессы идут с очень большой скоростью. Следовательно, катализаторы способствуют более быстрому переходу системы из начального в конечное состояние. Наряду с катализаторами существуют вещества, которые замедляют химические процессы.

Вещества которые замедляют скорость химических реакций, называют ингибиторами.

Ингибиторы служат человеку: уменьшают скорость коррозии металлов, продлевают сохранность пищевых продуктов, предотвращают случайные взрывы чувствительных к сотрясениям, но необходимых в промышленности веществ, замедляют некоторые вредные для живого организма процессы, вызывающие заболевания, и поэтому используются в виде лекарств.

Таким образом, одним из важнейших факторов, влияющих на скорость химических реакций, является присутствие катализаторов.

На скорость химических реакций влияет присутствие катализаторов. Вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в итоге не расходуются называют катализаторами.

Реакции, протекающие под действием катализаторов, называют каталитическими. Влияние катали-____заторов на скорость реакции называется катализом.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенным называют катализ, при котором и реагенты и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии.

Гетерогенным называют катализ, при котором реагенты и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях. Наряду с катализаторами существуют вещества, которые замедляют химические процессы. Вещества. которые замедляют скорость химических реакций называют ингибиторами.

Услуги по химии:

Лекции по химии:

Лекции по неорганической химии:

Лекции по органической химии:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник