Скорость химической реакции, ее зависимость от различных факторов

Оглавление

1. Гомогенные и гетерогенные химические реакции
2. Температура
3. Эндотермические и экзотермические реакции
4. Концентрация реагирующих веществ
5. Действие катализаторов
6. Природа реагирующих веществ
7. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ
8. Шпаргалка
9. Задания для самопроверки

 

Гомогенные и гетерогенные химические реакции

Химические реакции протекают с различными скоростями: с малой скоростью — при образовании сталактитов и сталагмитов, со средней скоростью — при варке пищи, мгновенно — при взрыве. Очень быстро проходят реакции в водных растворах.

Определение скорости хи­мической реакции, а также выяснение ее зависимости от условий проведения про­цесса — задача химической кинетики — науки о законо­мерностях протекания хими­ческих реакций во времени.

Если химические реакции происходят в однородной сре­де, например в растворе или в газовой фазе, то взаимодействие реагирующих веществ происходит во всем объеме. Такие реак­ции называют гомогенными.

Скорость гомогенной реакции (v_гомог) определя­ется как изменением количества вещества в еди­ницу времени в единице объема:

где Δn — изменение числа молей одного вещества (чаще всего исходного, но может быть и продукта реакции); Δt — интервал времени (с, мин); V — объем газа или раствора (л).

Поскольку отношение количества вещества к объему представляет собой молярную концентра­цию С, то

Таким образом, скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени:

если объем системы не меняется.

Если реакция идет между веществами, находя­щимися в разных агрегатных состояниях (напри­мер, между твердым веществом и газом или жид­костью), или между веществами, неспособными образовывать гомогенную среду (например, между несмешивающимися жидкостями), то она прохо­дит только на поверхности соприкосновения ве­ществ. Такие реакции называют гетерогенными.

Скорость гетерогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу вре­мени на единице поверхности.

где S — площадь поверхности соприкосновения ве­ществ (м², см²).

Изменение количества ве­щества, по которому опреде­ляют скорость реакции, — это внешний фактор, наблюда­емый исследователем. По сути, все процессы осуществляются на микроуровне. Очевидно, для того, чтобы какие-то частицы прореагировали, они прежде всего должны столкнуться, причем столкнуться эффективно: не раз­лететься, как мячики, в разные стороны, а так, чтобы в частицах разрушились или ослабли «старые связи» и смогли образоваться «новые», а для этого частицы должны обладать достаточной энергией.

Расчетные данные показывают, что, например, в газах столкновения молекул при атмосферно давлении исчисляются миллиардами за 1 секунду, то есть все реакции должны были бы идти мгновен­но. Но это не так. Оказывается, что лишь очень не­большая доля молекул обладает необходимой энер­гией, приводящей к эффективному соударению.

Минимальный избыток энергии, который долж­на иметь частица (или пара частиц), чтобы произо­шло эффективное соударение, называют энергией активации E_a.

Таким образом, на пути всех частиц, вступаю­щих в реакцию, имеется энергетический барьер, равный энергии активации E_a. Когда он малень­кий, то находится много частиц, которые могут его преодолеть, и скорость реакции велика. В против­ном случае требуется «толчок». Когда вы подноси­те спичку, чтобы зажечь спиртовку, вы сообщаете дополнительную энергию E_a, необходимую для эф­фективного соударения молекул спирта с молеку­лами кислорода (преодоление барьера).

Скорость химической реакции зависит от мно­гих факторов. Основными из них являются: при­рода и концентрация реагирующих веществ, дав­ление (в реакциях с участием газов), температура, действие катализаторов и поверхность реагирую­щих веществ в случае гетерогенных реакций.

Температура

При повышении температуры в большинстве случаев скорость химической реакции значительно возрастает. В XIX в. голландский химик Я. X. Вант- Гофф сформулировал правило:

Повышение темпе­ратуры на каждые 10 °С приводит к увеличению скорости реакции в 2-4 раза (эту величину назы­вают температурным коэффициентом реакции).

При повышении темпе­ратуры средняя скорость молекул, их энергия, число столкновений увеличиваются незначительно, зато резко по­вышается доля «активных» молекул, участвующих в эф­фективных соударениях, пре­одолевающих энергетичес­кий барьер реакции. Математически эта зависимость выражается со­отношением:

где v_t1 и v_t2 — скорости реакции соответственно при конечной t₂ и начальной t₁ температурах, а γ — температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры на каждые 10 °С.

Однако для увеличения скорости реакции повы­шение температуры не всегда применимо, т. к. ис­ходные вещества могут начать разлагаться, могут испаряться растворители или сами вещества и т. д.

 

Эндотермические и экзотермические реакции

Реакция метана с кислородом воздуха, как известно, сопровождается выделением большого количества тепла. Поэтому ее используют в быту для приготовления пищи, нагревания воды и отопления. Природный газ, поступающий в дома по трубам, на 98% состоит именно из метана. Реакция оксида кальция (СаО) с водой тоже сопровождается выделением большого количества тепла.

О чем могут говорить эти факты? При образовании новых химических связей в продуктах реакции выделяется большеэнергии, чем требуется на разрыв химических связей в реагентах. Избыток энергии выделяется в виде тепла, а иногда и света.

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О + Q (энергия (свет, тепло));

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q (энергия (тепло)).

Такие реакции должны протекать легко (как легко катится под гору камень).

Реакции, в которых энергия выделяется, называются ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМИ (от латинского «экзо» – наружу).

Например, многие окислительно-восстановительные реакции являются экзотермическими. Одна из таких красивых реакций — внутримолекулярное окисление-восстановление, протекающее внутри одной и той же соли — дихромата аммония (NH₄)₂Cr₂O₇:

(NH₄)₂Cr₂O₇ = N₂ + Cr₂O₃ + 4 H₂O + Q (энергия).

Другое дело – обратные реакции. Они аналогичны закатыванию камня в гору. Получить метан из CO₂ и воды до сих пор не удается, а для получения негашеной извести СаО из гидроксида кальция Са(ОН)₂ требуются сильное нагревание. Такая реакция идет только при постоянном притоке энергии извне:

Са(ОН)₂ = СаО + Н₂О — Q (энергия (тепло))

Это говорит о том, что разрыв химических связей в Ca(OH)₂ требует большей энергии, чем может выделиться при образовании новых химических связей в молекулах CaO и H₂O.

Реакции, в которых энергия поглощается, называются ЭНДОТЕРМИЧЕСКИМИ (от «эндо» – внутрь).

Концентрация реагирующих веществ

Изменение давления при участии в реакции га­зообразных веществ также приводит к изменению концентрации этих веществ.

Чтобы осуществилось химическое взаимодей­ствие между частицами, они должны эффективно столкнуться. Чем больше концентрация реагирую­щих веществ, тем больше столкновений и, соответ­ственно, выше скорость реакции. Например, в чи­стом кислороде ацетилен сгорает очень быстро. При этом развивается температу­ра, достаточная для плавле­ния металла. На основе боль­шого экспериментального материала в 1867 г. норвеж­цами К. Гульденбергом и П. Вааге и независимо от них в 1865 г. русским ученым Н. И. Бекетовым был сформулирован основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

Скорость химической реакции пропорциональ­на произведению концентраций реагирующих ве­ществ, взятых в степенях, равных их коэффици­ентам в уравнении реакции.

Этот закон называют также законом действую­щих масс.

Для реакции А + В = D этот закон выразится так:

Для реакции 2А + В = D этот закон выразится так:

Здесь С_А, С_В — концентрации веществ А и В (моль/л); k₁ и k₂ — коэффициенты пропорцио­нальности, называемые константами скорости ре­акции.

Физический смысл константы скорости реак­ции нетрудно установить — она численно равна скорости реакции, в которой концентрации реаги­рующих веществ равны 1 моль/л или их произ­ведение равно единице. В таком случае ясно, что константа скорости реакции зависит только от тем­пературы и не зависит от концентрации веществ.

Закон действующих масс не учитывает кон­центрации реагирующих веществ, находящихся в твердом состоянии, т. к. они реагируют на по­верхности и их концентрации обычно являются постоянными.

Например, для реакции горения угля выражение скорости реакции должно быть запи­сано так:

т. е. скорость реакции пропорциональна только концентрации кислорода.

Если же уравнение реакции описывает лишь суммарную химическую реакцию, проходящую в несколько стадий, то скорость такой реакции мо­жет сложным образом зависеть от концентраций исходных веществ. Эта зависимость определяется экспериментально или теоретически на основании предполагаемого механизма реакции.

 

Действие катализаторов

Можно увеличить скорость реакции, используя специальные вещества, которые изменяют меха­низм реакции и направляют ее по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией актива­ции. Их называют катализаторами (от лат. katalysis — разрушение).

Катализатор действует как опытный провод­ник, направляющий группу туристов не через вы­сокий перевал в горах (его преодоление требует много сил и времени и не всем до­ступно), а по известным ему обходным тропам, по кото­рым можно преодолеть гору значительно легче и быстрее.

Правда, по обходному пу­ти можно попасть не совсем туда, куда ведет главный перевал. Но иногда именно это и требуется! Именно так действуют катализаторы, ко­торые называют селективны­ми. Ясно, что нет необходи­мости сжигать аммиак и азот, зато оксид азота (II) находит использование в производстве азотной кислоты.

Катализаторы — это вещества, участвующие в химической реакции и изменяющие ее скорость или направление, но по окончании реакции остаю­щиеся неизменными количественно и качественно.

Изменение скорости химической реакции или ее направления с помощью катализатора называ­ют катализом. Катализаторы широко использу­ют в различных отраслях промышленности и на транспорте (каталитические преобразователи, пре­вращающие оксиды азота выхлопных газов авто­мобиля в безвредный азот).

Различают два вида катализа.

Гомогенный катализ, при котором и катализа­тор, и реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии (фазе).

Гетерогенный катализ, при котором катализа­тор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. Например, разложение пероксида водорода в присутствии твердого катализатора оксида мар­ганца (IV):

Сам катализатор не рас­ходуется в результате реак­ции, но если на его поверх­ности адсорбируются другие вещества (их называют каталитическими ядами), то поверхность становится не­работоспособной, требуется регенерация катализатора. Поэтому перед проведени­ем каталитической реакции тщательно очищают исход­ные вещества.

Например, при производстве серной кислоты контактным способом используют твердый катали­затор — оксид ванадия (V) V₂O₅:

При производстве метанола используют твер­дый «цинкохромовый» катализатор (8ZnO • Cr₂O₃ х CrO₃):

Очень эффективно работают биологические ка­тализаторы — ферменты. По химической природе это белки. Благодаря им в живых организмах при невысокой температуре с большой скоростью про­текают сложные химические реакции.

Известны другие интересные вещества — ин­гибиторы (от лат. inhibere — задерживать). Они с высокой скоростью реагируют с активными ча­стицами с образованием малоактивных соедине­ний. В результате реакция резко замедляется и за­тем прекращается. Ингибиторы часто специально добавляют в разные вещества, чтобы предотвратить нежелательные процессы.

Например, с помощью ингибиторов стабилизи­руют растворы пероксида водорода.

 

Природа реагирующих веществ (их состав, строение)

Значение энергии активации является тем факто­ром, посредством которого сказывается влияние при­роды реагирующих веществ на скорость реакции.

Если энергия активации мала (< 40 кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкнове­ний между частицами реагирующих веществ при­водит к их взаимодействию, и скорость такой ре­акции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих ре­акциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в данных случаях ничтожно мала.

Если энергия активации велика (> 120 кДж/моль), то это означает, что лишь ничтожная часть стол­кновений между взаимодействующими частицами приводит к реакции. Скорость такой реакции поэтому очень мала. Например, протекание реакции синтеза аммиака при обычной температуре заме­тить практически невозможно.

Если энергии активации химических ре­акций имеют промежуточные значения (40­120 кДж/моль), то скорости таких реакций будут средними. К таким реакциям можно отнести взаи­модействие натрия с водой или этиловым спиртом, обесцвечивание бромной воды этиленом, взаимо­действие цинка с соляной кислотой и др.

 

Поверхность соприкосновения реагирующих веществ

Скорость реакций, иду­щих на поверхности веществ, т. е. гетерогенных, зависит при прочих равных условиях от свойств этой поверхности. Известно, что растер­тый в порошок мел гораздо быстрее растворяется в соля­ной кислоте, чем равный по массе кусочек мела.

Увеличение скорости реакции объясняется в первую очередь увеличением поверхности со­прикосновения исходных веществ, а также рядом других причин, например, нарушением структуры «правильной» кристаллической решетки. Это при­водит к тому, что частицы на поверхности обра­зующихся микрокристаллов значительно реакци­онноспособнее, чем те же частицы на «гладкой» поверхности.

В промышленности для проведения гетероген­ных реакций используют «кипящий слой», чтобы увеличить поверхность соприкосновения реагиру­ющих веществ, подвод исходных веществ и отвод продуктов. Например, при производстве серной кислоты с помощью «кипящего слоя» проводят об­жиг колчедана.

Шпаргалка

Справочный материал для прохождения тестирования: