Скорость химической реакции. Факторы, влияющие на скорость химических реакций
Цель работы: изучение скорости химической реакции и ее зависимости от различных факторов: природы реагирующих веществ, концентрации, температуры.
Химические реакции протекают с различной скоростью. Скоростью химической реакции называют изменением концентрации реагирующего вещества в единицу времени. Она равно числу актов взаимодействия в единицу времени в единице объёма для реакции, протекающих в гомогенной системе (для гомогенных реакций), или на единице поверхности раздела фаз для реакций, протекающих в гетерогенной системе (для гетерогенных реакций).
Средняя скорость реакции v ср . в интервале времени от t 1 до t 2 определяется отношением:
где С 1 и С 2 – молярная концентрация любого участника реакции в моменты времени t 1 и t 2 соответственно.
Знак “–“ перед дробью относиться к концентрации исходных веществ, ΔС < 0, знак “+” – к концентрации продуктов реакции, ΔС > 0.
Основные факторы, влияющие на скорость химической реакции: природа реагирующих веществ, их концентрация, давление (если в реакции участвуют газы), температура, катализатор, площадь поверхности раздела фаз для гетерогенных реакций.
Большинство химических реакций представляют собой сложные процессы, протекающие в несколько стадий, т.е. состоящие из нескольких элементарных процессов. Элементарные или простые реакции – это реакции, протекающие в одну стадию.
Для элементарных реакций зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действия масс.
При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам.
Для реакции в общем виде
а А + b В… → с С,
cогласно закону действия масс v выражается соотношением
v = К∙с(А) а ∙ с(В) b ,
где с(А) и с(В) – молярные концентрации реагирующих веществ А и В;
К – константа скорости данной реакции, равная v , если с(А) а =1 и с(В) b =1, и зависящая от природы реагирующих веществ, температуры, катализатора, площади поверхности раздела фаз для гетерогенных реакций.
Выражение зависимости скорости реакции от концентрации называют кинетическим уравнением.
В случае сложных реакций закон действия масс применим к каждой отдельной стадии.
Для гетерогенных реакций в кинетическое уравнение входят только концентрации газообразных и растворенных веществ; так, для горения угля
С (к) + О 2 (г) → СО 2 (г)
уравнение скорости имеет вид
v = К∙с(О 2)
Несколько слов о молекулярности и кинетическом порядке реакции.
Понятие «молекулярность реакции» применяют только к простым реакциям. Молекулярность реакции характеризует число частиц, участвующих в элементарном взаимодействии.
Различают моно-, би- и тримолекулярные реакции, в которых участвуют соответственно одна, две и три частицы. Вероятность одновременного столкновения трех частиц мала. Элементарный процесс взаимодействия более чем трех частиц неизвестен. Примеры элементарных реакций:
N 2 O 5 → NO + NO + O 2 (мономолекулярная)
H 2 + I 2 → 2HI (бимолекулярная)
2NO + Cl 2 → 2NOCl (тримолекулярная)
Молекулярность простых реакций совпадает с общим кинетическим порядком реакции. Порядок реакции определяет характер зависимости скорости от концентрации.
Общий (суммарный) кинетический порядок реакции – сумма показателей степеней при концентрациях реагирующих веществ в уравнении скорости реакции, определенная экспериментально.
С повышением температуры скорость большинства химических реакций увеличивается. Зависимость скорости реакции от температуры приближено определяется правилом Вант-Гоффа.
При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2–4 раза.
где и – скорость реакции соответственно при температурах t 2 и t 1 (t 2 >t 1 );
γ – температурный коэффициент скорости реакции, это число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость химической реакции при увеличении температуры на 10 0 .
С помощью правила Вант-Гоффа возможно лишь примерно оценить влияние температуры на скорость реакции. Более точное описание зависимости скорости реакции температуры осуществимо в рамках теории активации Аррениуса.
Одним из методов ускорения химической реакции является катализ, который осуществляется при помощи веществ (катализаторов).
Катализаторы – это вещества, которые изменяют скорость химической реакции вследствие многократного участия в промежуточном химическом взаимодействии с реагентами реакции, но после каждого цикла промежуточного взаимодействия восстанавливают свой химический состав.
Механизм действия катализатора сводится к уменьшению величины энергии активации реакции, т.е. уменьшению разности между средней энергией активных молекул (активного комплекса) и средней энергией молекул исходных веществ. Скорость химической реакции при этом увеличивается.
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. Кроме того, одна и та же реакции 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.
При рассмотрении вопроса о скорости химической реакции необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной системе (гомогенные реакции), и реакции, протекающие в гетерогенной системе (гетерогенные реакции).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Системой в химии принято называть рассматриваемое вещество или совокупность веществ. При этом системе противопоставляется внешняя среда - вещества, окружающие систему.
Различают гомогенные и гетерогенные системе. Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы, гетерогенной - система, состоящая из нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отделенная от других её частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.
Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь 9все газы при не очень высоких давлениях неограниченно растворяются друг в друге) или раствор нескольких веществ в одном растворителе.
В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, уголь и сера в атмосфере воздуха.
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. В связи с этим скорость гомогенной реакции и скорость гетерогенной реакции определяются различно.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
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.
Оба эти определения можно записать в математической форме. Введем обозначения: υ homogen - скорость реакции в гомогенной системе; υ h etero gen - скорость реакции в гетерогенной системе;n- число молей какого-либо из получающихся при реакции веществ; V- объем системы; t-время; S - площадь поверхности фазы, на которой протекает реакция; Δ - знак приращения (Δn = n 2 -n 1 ; Δt = t 2 -t 1). Тогда
υ homogen = Δn / (V× Δt);
υ heterogen = Δn / (S× Δt).
Первое из этих уравнений можно упростить. Отношение количества вещества (n) к объему (V) системы представляет собою молярную концентрацию (с) вещества: c=n/V, откуда Δc=Δn/V и окончательно:
υ homogen = Δc / Δt.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Составьте формулы двух оксидов железа, если массовые доли железа в них 77,8% и 70,0%. |
| Решение |
Найдем массовую долю в каждом из оксидов меди: ω 1 (О) = 100% — ω 1 (Fe) = 100% — 77,8% = 22,2%; ω 2 (О) = 100% — ω 2 (Fe) = 100% — 70,0% = 30,0%. Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (железо) и «у» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева округлим до целых чисел): x:y = ω 1 (Fe)/Ar(Fe) : ω 1 (O)/Ar(O); x:y = 77,8/56: 22,2/16; x:y = 1,39: 1,39 = 1: 1. Значит формула первого оксида железа будет иметь вид FeO. x:y = ω 2 (Fe)/Ar(Fe) : ω 2 (O)/Ar(O); x:y = 70/56: 30/16; x:y = 1,25: 1,875 = 1: 1,5 = 2: 3. Значит формула второго оксида железа будет иметь вид Fe 2 O 3 . |
| Ответ | FeO, Fe 2 O 3 |
ПРИМЕР 2
| Задание | Составьте формулу соединения водорода, йода и кислорода, если массовые доли элементов в нём: ω(H) = 2,2%, ω(I) = 55,7%, ω(O) = 42,1%. |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (водород), «у» (йод), «z» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y:z = ω(H)/Ar(H) : ω(I)/Ar(I) : ω(O)/Ar(O); x:y:z= 2,2/1: 55,7/127: 42,1/16; x:y:z= 2,2: 0,44: 2,63 = 5: 1: 6. Значит формула соединения водорода, йода и кислорода будет иметь вид H 5 IO 6 . |
| Ответ | H 5 IO 6 |
Под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени при неизменном объеме системы.
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/(л*с).
Средняя скорость реакции вычисляется по формуле:
Скорость химической реакции зависит от:
Природы реагирующих веществ.
Вещества с полярной связью в растворах взаимодействуют быстрей, это объясняется тем, что такие вещества в растворах образуются ионы, которые легко взаимодействуют друг с другом.
Вещества с неполярной и малополярной ковалентной связью реагируют с различной скоростью, это зависит от их химической активности.
H 2 + F 2 = 2HF (идёт очень быстро со взрывом при комнатной температуре)
H 2 + Br 2 = 2HBr (идет медленно, даже при нагревании)
Величины поверхностного соприкосновения реагирующих веществ (для гетерогенных)
Концентрации реагирующих веществ
Скорость реакции прямопропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, возведенных в степень их стехиометрических коэффициентов.
Температуры
Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа:
при повышении температуры на каждые 10 0 скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.
Присутствия катализатора
Катализаторами называются вещества, изменяющие скорость химической реакций.
Явление изменения скорости реакции в присутствии катализатора называется катализом.
Давления
При увеличение давления скорость реакции повышается (для гомогенных)
Вопрос№26. Закон действия масс. Константа скорости. Энергия активации.
Закон действия масс.
скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации
Константа скорости.
коэффициент пропорциональности в кинетическом уравнении химической реакции, выражающий зависимость скорости реакции от концентрации
Константа скорости зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от их концентраций.
Энергия активации.
энергия, которую надо сообщить молекулам (частицам) реагирующих веществ, чтобы превратить их в активные
Энергия активации зависит от природы реагирующих веществ и изменяется в присутствии катализатора.
Повышение концентрации увеличивается общее число молекул, а соответственно активных частиц.
Вопрос№27. Обратимые и необратимые реакции. Химическое равновесие, константа равновесия. Принцип Ле Шателье.
Реакции, которые протекают только в одном направлении и завершаются полным превращением исходных веществ в конечные, называются необратимыми.
Обратимыми называются такие реакции, которые одновременно протекают в двух взаимно противоположных направлениях.
В уравнениях обратимых реакций между левой и правой частью ставят две стрелки, направленные в противоположные стороны. Примером такой реакции может служить синтез аммиака их водорода и азота:
3H 2 + N 2 = 2NH 3
Необратимыми называются такие реакции, при протекании которых:
Образующиеся продукты выпадают в осадок, или выделяются в виде газа, например:
BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2HCl
Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + CO 2 + H 2 O
Образование воды:
HCl + NaOH = H 2 O + NaCl
Обратимые реакции не доходят до конца и заканчиваются установлением химического равновесия .
Химическое равновесие – это состояние системы реагирующих веществ, при котором скорости прямой и обратной реакции равны между собой.
На состояние химического равновесия оказывает влияние концентрации реагирующих веществ, температура, а для газов – и давление. При изменении одного из этих параметров, химическое равновесия нарушается.
Константа равновесия.
Важнейший параметр, характеризующий обратимую химическую реакцию – константа равновесия К. Если записать для рассмотренной обратимой реакции A + D C + D условие равенства скоростей прямой и обратной реакции в состоянии равновесия – k1[A]равн[B]равн = k2[C]равн[D]равн, откуда [C]равн[D]равн/[A]равн[B]равн = k1/k2 = К, то величина К называется константой равновесия химической реакции.
Итак, при равновесии отношение концентрации продуктов реакции к произведению концентрации реагентов постоянно, если постоянна температура (константы скорости k1 и k2 и, следовательно, константа равновесия К зависят от температуры, но не зависят от концентрации реагентов). Если в реакции участвуют несколько молекул исходных веществ и образуется несколько молекул продукта (или продуктов), концентрации веществ в выражении для константы равновесия возводятся в степени, соответствующие их стехиометрическим коэффициентам. Так для реакции 3H2 + N2 2NH3 выражение для константы равновесия записывается в виде K = 2 равн/3равнравн. Описанный способ вывода константы равновесия, основанный на скоростях прямой и обратной реакций, в общем случае использовать нельзя, так как для сложных реакций зависимость скорости от концентрации обычно не выражается простым уравнением или вообще неизвестна. Тем не менее, в термодинамике доказывается, что конечная формула для константы равновесия оказывается верной.
Для газообразных соединений вместо концентраций при записи константы равновесия можно использовать давление; очевидно, численное значение константы при этом может измениться, если число газообразных молекул в правой и левой частях уравнения не одинаковы.
Пинцип Ле Шателье.
если на систему, находящуюся в равновесии, производится какое-либо внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону той реакции, которая противодействует этому воздействию.
На химическое равновесие влияет:
Изменение температуры. При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции. При понижении температуры равновесие смещается в сторону экзотермической реакции.
Изменение давления. При повышении давления равновесие смещается в сторону уменьшения числа молекул. При понижении давления равновесие смещается в сторону увеличения числа молекул.
7.1. Гомогенные и гетерогенные реакции
Химические вещества могут находиться в разных агрегатных состояниях, при этом их химические свойства в разных состояниях одинаковы, однако активность отличается (что на прошлой лекции было показано на примере теплового эффекта химической реакции).
Рассмотрим различные комбинации агрегатных состояний, в которых могут находиться два вещества А и Б.
A (г.), Б (г.) |
||||||||||||||||||||||||||||||
A (тв.), Б (тв.) | A (ж.), Б (тв.) | смешиваются | A(тв.), Б (г.) | A (ж.), Б (г.) |
||||||||||||||||||||||||||
смешиваются | (раствор) | |||||||||||||||||||||||||||||
гетерогенная | гетерогенная | гетерогенная | гомогенная | гетерогенная | гетерогенная | гомогенная |
||||||||||||||||||||||||
Hg(ж.) + HNO3 | H2 O + D2 O | Fe + O2 | H2 S + H2 SO4 | CO + O2 |
||||||||||||||||||||||||||
Фазой называется область химической системы, в пределах которой все свойства системы постоянны (одинаковы) или непрерывно меняются от точки к точке. Отдельными фазами являются каждое из твердых веществ, кроме того существуют фазы раствора и газа.
Гомогенной называетсяхимическая система , в которой все вещества находятся в одной фазе (в растворе или в газе). Если фаз несколько, то система называется
гетерогенной.
Соответственно химическая реакция называетсягомогенной , еслиреагенты находятся в одной фазе. Еслиреагенты находятся в разных фазах, тохимическая реакция называетсягетерогенной .
Нетрудно понять, что поскольку для возникновения химической реакции требуется контакт реагентов, то гомогенная реакция происходит одновременно во всем объеме раствора или реакционного сосуда, тогда как гетерогенная реакция происходит на узкой границе между фазами - на поверхности раздела фаз. Таким образом, чисто теоретически гомогенная реакция происходит быстрее, чем гетерогенная.
Таким образом, мы переходим к понятию скорость химической реакции .
Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Химическое равновесие.
7.2. Скорость химической реакции
Раздел химии, который изучает скорости и механизмы химических реакций является разделом физической химии и называется химической кинетикой .
Скоростью химической реакции называется изменение количества вещества в единицу времени в единице объема реагирующей системы (для гомогенной реакции) или на единице площади поверхности (для гетерогенной реакции).
Таким образом, если объем | или площадь | поверхности раздела фаз |
|||||||||
не изменяются, то выражения для скоростей химических реакций имеют вид: |
|||||||||||
hom o | |||||||||||
Отношение изменения количества вещества к объему системы можно интерпретировать как изменение концентрации данного вещества.
Отметим, что для реагентов в записи выражения для скорости химической реакции ставят знак «минус», так как концентрация реагентов уменьшается, а скорость химической реакции – вообще-то величина положительная.
Дальнейшие умозаключения базируются на простых физических соображениях, которые рассматривают химическую реакцию как следствие взаимодействия нескольких частиц.
Элементарной (или простой) называют химическую реакцию, происходящую в одну стадию. Если стадий несколько, то подобные реакции называют сложными, или составными, или брутто-реакциями.
В 1867 году для описания скорости химической реакции был предложен закон действующих масс : скорость элементарной химической реакции пропорциональная концентрациям реагирующих веществ в степенях стехиометрических коэффициентов.n A +m B P,
A, B – реагенты, P – продукты, n ,m – коэффициенты.
W =k n m
Коэффициент k называется константой скорости химической реакции,
характеризует природу взаимодействующих частиц и не зависит от концентрации частиц.
Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Химическое равновесие. Величины n иm называютсяпорядком реакции по веществу А и B соответственно, а
их сумма (n +m ) –порядком реакции .
Для элементарных реакций порядок реакции может быть 1, 2 и 3.
Элементарные реакции с порядком 1 называют мономолекулярными, с порядком 2 – бимолекулярными, с порядком 3 – тримолекулярными по числу участвующих молекул. Элементарных реакций выше третьего порядка неизвестно – расчеты показывают, что одновременная встреча четырех молекул в одной точке слишком невероятное событие.
Поскольку сложная реакция состоит из некоторой последовательности элементарных реакций, то её скорость может быть выражена через скорости отдельных стадий реакции. Поэтому для сложных реакций порядок может быть любым , в том числе, дробным или нулевым (нулевой порядок реакции говорит о том, что реакция происходит с постоянной скоростью и не зависит от концентрации реагирующих частицW =k ).
Самую медленную из стадий сложного процесса обычно называют лимитирующей стадией (скоростьлимитирующей стадией).
Представьте себе, что большое количество молекул пошли в бесплатный кинотеатр, но на входе стоит контролер, который проверяет возраст каждой молекулы. Поэтому в двери кинотеатра заходит поток вещества, а в кинозал молекулы проникают по одной, т.е. очень медленно.
Примерами элементарных реакций первого порядка являются процессы термического или радиоактивного распада, соответственно константа скорости k характеризует либо вероятность разрыва химической связи, либо вероятность распада в единицу времени.
Примеров элементарных реакций второго порядка очень много – это наиболее привычный нам способ течения реакций – частица А налетела на частицу B, произошло какое-то превращение и что-то там получилось (обратите внимание, что продукты в теории ни на что не влияют – все внимание уделяется только реагирующим частицам).
Напротив, элементарных реакций третьего порядка довольно мало, так как трём частицам одновременно встретиться удается довольно редко.
В качестве иллюстрации посмотрим предсказательную силу химической кинетики.
Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Химическое равновесие.
Кинетическое уравнение первого порядка
(иллюстративный дополнительный материал)
Рассмотрим гомогенную реакцию первого порядка, константа скорости которой равна k , начальная концентрация вещества A равна [A]0 .
По определению скорость гомогенной химической реакции равна |
||||||||||||||||||
K [ A ] | изменению концентрации в единицу времени. Раз вещество A – |
|||||||||||||||||
реагент, ставим знак «минус». | ||||||||||||||||||
Такое уравнение называется дифференциальным (есть |
||||||||||||||||||
производная) | ||||||||||||||||||
[ A ] | Для его решения в левую часть переносим величины |
|||||||||||||||||
концентраций, а в правую – времени. | ||||||||||||||||||
Если равны производные двух функций, то сами функции |
||||||||||||||||||
должны отличаться не более, чем на константу. | ||||||||||||||||||
Для решения данного уравнения берут интеграл левой части (по |
||||||||||||||||||
концентрации) и правой части (по времени). Чтобы не пугать |
||||||||||||||||||
ln[ A ] = −kt +C | слушателей, ограничимся ответом. | |||||||||||||||||
Значок ln – натуральный логарифм, т.е. число b, такое что | ||||||||||||||||||
= [ A ] ,e = 2,71828… | ||||||||||||||||||
ln[ A ]- ln0 = - kt | Константу C находят из начальных условий: | |||||||||||||||||
при t = 0 начальная концентрация равна [A]0 | ||||||||||||||||||
[ A ] | Раз логарифм – | это степень числа, используем свойства степеней |
||||||||||||||||
[ A ]0 | e a− b= | |||||||||||||||||
Теперь избавимся от противного логарифма (см. определение |
||||||||||||||||||
логарифма на 6-7 строчек выше), | для чего возведем число | |||||||||||||||||
в степень левой части уравнения и правой части уравнения. | ||||||||||||||||||
[ A ] | E − kt | Умножим на [A]0 | ||||||||||||||||
[ A ]0 | ||||||||||||||||||
Кинетическое уравнение первого порядка. | ||||||||||||||||||
[ A ]= 0 × e − kt | На основании | полученного кинетического уравнения первого |
||||||||||||||||
порядка может | рассчитана | концентрация вещества | ||||||||||||||||
в любой момент времени | ||||||||||||||||||
Для целей нашего курса данный вывод носит ознакомительный характер, для того чтобы продемонстрировать Вам применение математического аппарата для расчета хода химической реакции. Следовательно, грамотный химик не может не знать математику. Учите математику!
Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Химическое равновесие. График зависимости концентрации реагентов и продуктов от времени может быть качественно изображен следующим образом (на примере необратимой реакции первого порядка)
Факторы, которые влияют на скорость реакции
1. Природа реагирующих веществ
Например, скорость реакции следующих веществ: H2 SO4 , CH3 COOH, H2 S, CH3 OH – с гидроксид-ионом будет различаться в зависимости от прочности связи H-O. Для оценки прочности данной связи можно использовать величину относительного положительного заряда на атоме водорода: чем больше заряд, тем легче будет идти реакция.
2. Температура
Жизненный опыт подсказывает нам, что скорость реакции от температуры зависит и увеличивается с ростом температуры. Например, процесс скисания молока быстрее происходит при комнатной температуре, а не в холодильнике.
Обратимся к математическому выражению закона действующих масс.
W =k n m
Раз левая часть этого выражения (скорость реакции) от температуры зависит, следовательно, правая часть выражения также зависит от температуры. При этом концентрация, разумеется, от температуры не зависит: например, молоко сохраняет свою жирность 2,5% и в холодильнике, и при комнатной температуре. Тогда, как говаривал Шерлок Холмс оставшееся решение и есть верное, каким бы странным оно ни казалось: от температуры зависит константа скорости!
Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Химическое равновесие. Зависимость константы скорости реакции от температуры выражается посредством уравнения Аррениуса:
− E a
k = k0 eRT ,
в котором
R = 8,314 Дж·моль-1 ·К-1 – универсальная газовая постоянная,
E a – энергия активации реакции (см. ниже), её условно считают не зависящей от температуры;
k 0 – предэкспоненциальный множитель (т.е. множитель, который стоит перед экспонентойe ), величина которого тоже почти не зависит от температуры и определяется, в первую очередь, порядком реакции.
Так, величина k0 составляет примерно для реакции первого порядка 1013 с-1 , для реакции второго порядка – 10 -10 л·моль-1 ·с-1 ,
для реакции третьего порядка – 10 -33 л2 ·моль-2 ·с-1 . Эти значения запоминать не обязательно.
Точные значения k0 для каждой реакции определяют экспериментально.
Понятие энергии активации становится ясным из следующего рисунка. Фактически энергия активации представляет собой энергию, которой должна обладать реагирующая частица, для того, чтобы реакция произошла.
При этом если мы нагреваем систему, то энергия частиц повышается (пунктирный график), тогда как переходное состояние (≠) остается на прежнем уровне. Разница в энергии между переходным состоянием и реагентами (энергия активации) сокращается, а скорость реакции согласно уравнению Аррениуса возрастает.
Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Химическое равновесие. Кроме уравнения Аррениуса, существует уравнение Вант-Гоффа, которое
характеризует зависимость скорости реакции от температуры посредством температурного коэффициента γ:
Температурный коэффициент γ показывает, во сколько раз вырастет скорость химической реакции при изменении температуры на 10o .
Уравнение Вант-Гоффа:
T 2− T 1
W (T 2 )= W (T 1 )× γ10
Обычно коэффициент γ находится в диапазоне от 2 до 4. По этой причине химики часто пользуются приближением, что увеличение температуры на 20o приводит к возрастанию скорости реакции на порядок (т.е. в 10 раз).
Скорость химической реакции
Тема «Скорость химической
реакции», пожалуй, наиболее сложная и
противоречивая в школьной программе. Это связано
со сложностью самой химической кинетики –
одного из разделов физической химии.
Неоднозначно уже само определение понятия
«скорость химической реакции» (см., например,
статью Л.С.Гузея в газете «Химия», 2001, № 28,
с. 12). Еще больше проблем возникает при попытке
применить закон действующих масс для скорости
реакции к любым химическим системам, ведь круг
объектов, для которых возможно количественное
описание кинетических процессов в рамках
школьной программы, очень узок. Хотелось бы особо
отметить некорректность использования закона
действующих масс для скорости химической
реакции при химическом равновесии.
В то же время вообще отказаться от рассмотрения
этой темы в школе было бы неверным. Представления
о скорости химической реакции очень важны при
изучении многих природных и технологических
процессов, без них невозможно говорить о
катализе и катализаторах, в том числе и о
ферментах. Хотя при обсуждении превращений
веществ используются в основном качественные
представления о скорости химической реакции,
введение простейших количественных соотношений
все же желательно, особенно для элементарных
реакций.
В публикуемой статье достаточно подробно
рассматриваются вопросы химической кинетики,
которые можно обсуждать на школьных уроках
химии. Исключение из курса школьной химии
спорных и противоречивых моментов этой темы
особенно важно для тех учащихся, кто собирается
продолжить свое химическое образование в вузе.
Ведь полученные в школе знания нередко вступают
в противоречие с научной реальностью.
Химические реакции могут существенно различаться по времени протекания. Смесь водорода и кислорода при комнатной температуре может долгое время оставаться практически без изменений, однако при ударе или поджигании произойдет взрыв. Железная пластина медленно ржавеет, а кусочек белого фосфора самовоспламеняется на воздухе. Важно знать, насколько быстро протекает та или иная реакция, чтобы иметь возможность контролировать ее ход.
Основные понятия
Количественной характеристикой того, насколько быстро протекает данная реакция, является скорость химической реакции, т. е. скорость расходования реагентов или скорость появления продуктов. При этом безразлично, о каком из участвующих в реакции веществе идет речь, поскольку все они связаны между собой через уравнение реакции. По изменению количества одного из веществ можно судить о соответствующих изменениях количеств всех остальных.
Скоростью химической реакции () называют изменение количества вещества реагента или продукта () за единицу времени () в единице объема (V ):
= /(V ).
Скорость реакции в данном случае обычно выражается в моль/(л с).
Приведенное выражение относится к гомогенным химическим реакциям, протекающим в однородной среде, например между газами или в растворе:
2SO 2 + O 2 = 2SO 3 ,
BаСl 2 + Н 2 SO 4 = ВаSО 4 + 2НСl.
Гетерогенные химические реакции идут на поверхности соприкосновения твердого вещества и газа, твердого вещества и жидкости и т.п. К гетерогенным реакциям относятся, например, реакции металлов с кислотами:
Fе + 2НСl = FeСl 2 + Н 2 .
В этом случае скоростью реакции называют изменение количества вещества реагента или продукта () за единицу времени () на единице поверхности (S):
= /(S ).
Скорость гетерогенной реакции выражается в моль/(м 2 с).
Чтобы управлять химическими реакциями, важно не только уметь определять их скорости, но и выяснить, какие условия оказывают на них влияние. Раздел химии, изучающий скорость химических реакций и влияние на нее различных факторов, называется химической кинетикой .
Частота соударений реагирующих частиц
Важнейший фактор, определяющий скорость химической реакции, – концентрация .
При повышении концентрации реагирующих веществ скорость реакции, как правило, возрастает. Для того чтобы вступить в реакцию, две химические частицы должны сблизиться, поэтому скорость реакции зависит от числа столкновений между ними. Увеличение числа частиц в данном объеме приводит к более частым столкновениям и к возрастанию скорости реакции.
Для гомогенных реакций повышение концентрации одного или нескольких реагирующих веществ приведет к увеличению скорости реакции. При понижении концентрации наблюдается противоположный эффект. Концентрация веществ в растворе может быть изменена путем добавления или удаления из сферы реакции реагирующих веществ или растворителя. В газах концентрация одного из веществ может быть увеличена путем введения дополнительного количества этого вещества в реакционную смесь. Концентрации всех газообразных веществ можно увеличить одновременно, уменьшая объем, занимаемый смесью. При этом скорость реакции возрастет. Увеличение объема приводит к обратному результату.
Скорость гетерогенных реакций зависит от площади поверхности соприкосновения веществ , т.е. от степени измельчения веществ, полноты смешивания реагентов, а также от состояния кристаллических структур твердых тел. Любые нарушения в кристаллической структуре вызывают увеличение реакционной способности твердых тел, т.к. для разрушения прочной кристаллической структуры требуется дополнительная энергия.
Рассмотрим горение древесины. Целое полено горит на воздухе сравнительно медленно. Если увеличить поверхность соприкосновения дерева с воздухом, расколов полено на щепки, скорость горения увеличится. Вместе с тем древесина горит в чистом кислороде значительно быстрее, чем на воздухе, который содержит лишь около 20% кислорода.
Для протекания химической реакции должно произойти столкновение частиц – атомов, молекул или ионов. В результате столкновений происходит перегруппировка атомов и возникают новые химические связи, что приводит к образованию новых веществ. Вероятность столкновения двух частиц достаточно высока, вероятность одновременного столкновения трех частиц существенно меньше. Одновременное столкновение четырех частиц чрезвычайно маловероятно. Поэтому большинство реакций протекает в несколько стадий, на каждой из которых происходит взаимодействие не более трех частиц.
Реакция окисления бромоводорода протекает с заметной скоростью при 400–600 °С:
4НВr + O 2 = 2Н 2 О + 2Вr 2 .
В соответствии с уравнением реакции одновременно должно столкнуться пять молекул. Однако вероятность такого события практически равна нулю. Более того, экспериментальные исследования показали, что повышение концентрации – либо кислорода, либо бромоводорода – увеличивает скорость реакции в одно и то же число раз. И это при том, что на каждую молекулу кислорода расходуется четыре молекулы бромоводорода.
Детальное рассмотрение данного процесса показывает, что он протекает в несколько стадий:
1) НBr + О 2 = НООВr (медленная реакция);
2) НООВr + НВr = 2НОВr (быстрая реакция);
3) НОВr + НВr = Н 2 О + Вr 2 (быстрая реакция).
Приведенные реакции, так называемые элементарные реакции , отражают механизм реакции окисления бромоводорода кислородом. Важно отметить, что в каждой из промежуточных реакций участвует только по две молекулы. Сложение первых двух уравнений и удвоенного третьего дает суммарное уравнение реакции. Общая же скорость реакции определяется наиболее медленной промежуточной реакцией, в которой взаимодействуют одна молекула бромоводорода и одна молекула кислорода.
Скорость элементарных реакций прямо пропорциональна произведению молярных концентраций с (с – это количество вещества в единице объема, с = /V ) реагентов, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам (закон действующих масс для скорости химической реакции). Это справедливо лишь для уравнений реакций, отражающих механизмы реальных химических процессов, когда стехиометрические коэффициенты перед формулами реагентов соответствуют числу взаимодействующих частиц.
По числу взаимодействующих в реакции молекул различают реакции мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные. Например, диссоциация молекулярного йода на атомы: I 2 = 2I – мономолекулярная реакция.
Взаимодействие йода с водородом: I 2 + Н 2 = 2HI – бимолекулярная реакция. Закон действующих масс для химических реакций разной молекулярности записывается по-разному.
Мономолекулярные реакции:
А = В + С,
= kc A ,
где k – константа скорости реакции.
Бимолекулярные реакции:
= kc A c В.
Тримолекулярные реакции:
= kc 2 A c В.
Энергия активации
Столкновение химических частиц приводит к химическому взаимодействию лишь в том случае, если сталкивающиеся частицы обладают энергией, превышающей некоторую определенную величину. Рассмотрим взаимодействие газообразных веществ, состоящих из молекул А 2 и В 2:
А 2 + В 2 = 2АВ.
В ходе химической реакции происходит перегруппировка атомов, сопровождающаяся разрывом химических связей в исходных веществах и образованием связей в продуктах реакции. При столкновении реагирующих молекул сначала образуется так называемый активированный комплекс , в котором происходит перераспределение электронной плотности, и лишь потом получается конечный продукт реакции:
Энергию, необходимую для перехода веществ в состояние активированного комплекса, называют энергией активации .
Активность химических веществ проявляется в низкой энергии активации реакций с их участием. Чем ниже энергия активации, тем выше скорость реакции. Например, в реакциях между катионами и анионами энергия активации очень мала, поэтому такие реакции протекают почти мгновенно. Если энергия активации велика, то очень малая часть соударений приводит к образованию новых веществ. Так, скорость реакции между водородом и кислородом при комнатной температуре практически равна нулю.
Итак, на скорость реакции оказывает влияние природа реагирующих веществ . Рассмотрим для примера реакции металлов с кислотами. Если опустить в пробирки с разбавленной серной кислотой одинаковые кусочки меди, цинка, магния и железа, можно увидеть, что интенсивность выделения пузырьков газообразного водорода, характеризующая скорость протекания реакции, для этих металлов существенно различается. В пробирке с магнием наблюдается бурное выделение водорода, в пробирке с цинком пузырьки газа выделяются несколько спокойнее. Еще медленнее протекает реакция в пробирке с железом (рис.). Медь вообще не вступает в реакцию с разбавленной серной кислотой. Таким образом, скорость реакции зависит от активности металла.
При замене серной кислоты (сильной кислоты) на уксусную (слабую кислоту) скорость реакции во всех случаях существенно замедляется. Можно сделать вывод, что на скорость реакции металла с кислотой влияет природа обоих реагентов – как металла, так и кислоты.
Повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии химических частиц, т.е. увеличивает число частиц, имеющих энергию выше энергии активации. При повышении температуры число столкновений частиц также увеличивается, что в некоторой степени увеличивает скорость реакции. Однако повышение эффективности столкновений за счет увеличения кинетической энергии оказывает большее влияние на скорость реакции, чем увеличение числа столкновений.
При повышении температуры на десять градусов скорость увеличивается в число раз, равное температурному коэффициенту скорости :
= T +10 /T .
При повышении температуры от T
до T
"
отношение скоростей реакций T
" и T
равно
температурному коэффициенту скорости в степени (T
"
– T
)/10:
T " /T = (T "–T )/10.
Для многих гомогенных реакций температурный коэффициент скорости равен 24 (правило Вант-Гоффа). Зависимость скорости реакции от температуры можно проследить на примере взаимодействия оксида меди(II) с разбавленной серной кислотой. При комнатной температуре реакция протекает очень медленно. При нагревании реакционная смесь быстро окрашивается в голубой цвет за счет образования сульфата меди(II):
СuО + Н 2 SО 4 = СuSO 4 + Н 2 О.
Катализаторы и ингибиторы
Многие реакции можно ускорить или замедлить путем введения некоторых веществ. Добавляемые вещества не участвуют в реакции и не расходуются в ходе ее протекания, но оказывают существенное влияние на скорость реакции. Эти вещества изменяют механизм реакции (в том числе состав активированного комплекса) и понижают энергию активации, что обеспечивает ускорение химических реакций. Вещества – ускорители реакций называют катализаторами , а само явление такого ускорения реакции – катализом .
Многие реакции в отсутствие катализаторов протекают очень медленно или не протекают совсем. Одной из таких реакций является разложение пероксида водорода:
2Н 2 О 2 = 2Н 2 О + О 2 .
Если опустить в сосуд с водным раствором пероксида водорода кусочек твердого диоксида марганца, то начнется бурное выделение кислорода. После удаления диоксида марганца реакция практически прекращается. Путем взвешивания нетрудно убедиться, что диоксид марганца в данном процессе не расходуется – он лишь катализирует реакцию.
В зависимости от того, в одинаковых или различных агрегатных состояниях находится катализатор и реагирующие вещества, различают гомогенный и гетерогенный катализ.
При гомогенном катализе катализатор может ускорить реакцию путем образования промежуточных веществ за счет взаимодействия с одним из исходных реагентов. Например:
При гетерогенном катализе химическая реакция обычно протекает на поверхности катализатора:
Катализаторы широко распространены в природе. Практически все превращения веществ в живых организмах протекают с участием органических катализаторов – ферментов.
Катализаторы используют в химическом производстве для ускорения тех или иных процессов. Кроме них применяют также вещества, замедляющие химические реакции, – ингибиторы . С помощью ингибиторов, в частности, защищают металлы от коррозии.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
| Увеличивают скорость | Уменьшают скорость |
|---|---|
| Наличие химически активных реагентов | Наличие химически неактивных реагентов |
| Повышение концентрации реагентов | Понижение концентрации реагентов |
| Увеличение поверхности твердых и жидких реагентов | Уменьшение поверхности твердых и жидких реагентов |
| Повышение температуры | Понижение температуры |
| Присутствие катализатора | Присутствие ингибитора |
ЗАДАНИЯ
1. Дайте определение скорости химической реакции. Напишите выражение кинетического закона действующих масс для следующих реакций:
а) 2С (тв.) + О 2 (г.) = 2СО (г.);
б) 2НI (г.) = Н 2 (г.) + I 2 (г.).
2. От чего зависит скорость химической реакции? Приведите математическое выражение зависимости скорости химической реакции от температуры.
3. Укажите, как влияет на скорость реакции (при постоянном объеме):
а) увеличение концентрации реагентов;
б) измельчение твердого реагента;
в) понижение температуры;
г) введение катализатора;
д) уменьшение концентрации реагентов;
е) повышение температуры;
ж) введение ингибитора;
з) уменьшение концентрации продуктов.
4. Рассчитайте скорость химической реакции
СО (г.) + Н 2 О (г.) = СО 2 (г.) + Н 2 (г.)
в сосуде емкостью 1 л, если через 1 мин 30 с после ее начала количество вещества водорода было 0,32 моль, а через 2 мин 10 с стало 0,44 моль. Как повлияет на скорость реакции увеличение концентрации СО?
5. В результате одной реакции за определенный промежуток времени образовалось 6,4 г йодоводорода, а в другой реакции в тех же условиях – 6,4 г диоксида серы. Сравните скорости этих реакций. Как изменятся скорости этих реакций при повышении температуры?
6. Определите скорость реакции
СО (г.) + Сl 2 (г.) = СОCl 2 (г.),
если через 20 с после начала реакции исходное
количество вещества оксида углерода(II)
уменьшилось c 6 моль в 3 раза (объем реактора равен
100 л). Как изменится скорость реакции, если вместо
хлора использовать менее активный бром? Как
изменится скорость реакции при введении
а) катализатора; б) ингибитора?
7. В каком случае реакция
СaО (тв.) + СО 2 (г.) = СaCO 3 (тв.)
протекает быстрее: при использовании крупных
кусков или порошка оксида кальция? Рассчитайте:
а) количество вещества; б) массу карбоната
кальция, образовавшегося за 10 с, если скорость
реакции составляет 0,1 моль/(л с), объем реактора
равен 1 л.
8. Взаимодействие образца магния с хлороводородной кислотой НСl позволяет получить 0,02 моль хлорида магния через 30 с после начала реакции. Определите, за какое время можно получить 0,06 моль хлорида магния.
Е) от 70 до 40 °С скорость реакции уменьшилась в 8
раз;
ж) от 60 до 40 °С скорость реакции уменьшилась в
6,25 раза;
з) от 40 до 10 °С скорость реакции уменьшилась в 27
раз.
11. Владелец автомашины покрасил ее новой краской, а затем обнаружил, что согласно инструкции она должна сохнуть 3 ч при 105 °С. За какое время высохнет краска при 25 °С, если температурный коэффициент реакции полимеризации, лежащей в основе этого процесса, равен: а) 2; б) 3; в) 4?
ОТВЕТЫ НА ЗАДАНИЯ
1. а) = kc (О 2); б) = kc (HI) 2 .
2. T +10 = T .
3. Скорость реакции увеличивается в случаях а, б, г, е; уменьшается – в, д, ж; не изменяется – з.
4. 0,003 моль/(л с). При увеличении концентрации СО скорость реакции возрастает.
5. Скорость первой реакции в 2 раза ниже.
6. 0,002 моль/(л с).
7. а) 1 моль; б) 100 г.
9. Увеличатся в 2 раза скорости реакций д, ж, з; в 4 раза – а, б, е; в 8 раз – в, г.
10. Температурный коэффициент:
2 для реакций б, е; = 2,5 – в, ж; = 3 – д, з; = 3,5 – а, г.
а) 768 ч (32 сут, т. е. более 1 месяца);
б) 19 683 ч (820 сут, т. е. более 2 лет);
в) 196 608 ч (8192 сут, т. е. 22 года).
