Каква е формулата за скоростта на реакцията. Скоростта на химичните реакции

Скорост химическа реакциязависи от много фактори, включително естеството на реагентите, концентрацията на реагентите, температурата, наличието на катализатори. Нека разгледаме тези фактори.

1). Естеството на реагентите. Ако има взаимодействие между вещества с йонна връзка, тогава реакцията протича по-бързо, отколкото между вещества с ковалентна връзка.

2.) Концентрация на реагента. За да се осъществи химическа реакция, молекулите на реагентите трябва да се сблъскат. Тоест, молекулите трябва да се доближат толкова близо една до друга, че атомите на едната частица да изпитват действието на електрическите полета на другата. Само в този случай ще са възможни преходите на електроните и съответните пренареждания на атомите, в резултат на което се образуват молекули на нови вещества. По този начин скоростта на химичните реакции е пропорционална на броя на сблъсъците, които възникват между молекулите, а броят на сблъсъците от своя страна е пропорционален на концентрацията на реагентите. Въз основа на експерименталния материал норвежките учени Гулдберг и Вааге и независимо от тях руският учен Бекетов през 1867 г. формулират основния закон химична кинетика – закон действащи маси (ZDM): при постоянна температура скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите към степента на техните стехиометрични коефициенти. За общ случай:

законът за масовото действие има формата:

Законът за масово действие за дадена реакция се нарича основното кинетично уравнение на реакцията. В основното кинетично уравнение k е константата на скоростта на реакцията, която зависи от природата на реагентите и температурата.

Повечето химични реакции са обратими. В хода на такива реакции техните продукти, когато се натрупват, реагират помежду си, за да образуват изходните вещества:

Скорост на реакция напред:

Скорост обратна реакция:

По време на равновесие:

От тук законът за действащите маси в състояние на равновесие ще приеме формата:

където К е равновесната константа на реакцията.

3) Ефектът на температурата върху скоростта на реакцията. Скоростта на химичните реакции, като правило, се увеличава, когато температурата се превиши. Нека разгледаме това на примера на взаимодействието на водород с кислород.

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

При 20 0 C скоростта на реакцията е почти нулева и ще отнеме 54 милиарда години за взаимодействието да премине с 15%. При 500 0 C са необходими 50 минути за образуване на вода, а при 700 0 C реакцията протича незабавно.

Изразена е зависимостта на скоростта на реакцията от температурата правилото на Вант Хоф: при повишаване на температурата с 10°С скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти. Правилото на Вант Хоф е написано:

4) Влияние на катализаторите. Скоростта на химичните реакции може да се контролира от катализатори- вещества, които променят скоростта на реакцията и остават непроменени след реакцията. Промяната в скоростта на реакцията в присъствието на катализатор се нарича катализа. Разграничете положителен(скоростта на реакцията се увеличава) и отрицателен(скоростта на реакцията намалява) катализа. Понякога катализаторът се образува по време на реакцията, такива процеси се наричат автокаталитични. Разграничете хомогенна и хетерогенна катализа.

При хомогененПри катализата катализаторът и реагентите са в една и съща фаза. Например:

При разнородникатализа, катализаторът и реагентите са вътре различни фази. Например:

Хетерогенната катализа е свързана с ензимни процеси. всичко химически процесикоито се срещат в живите организми, се катализират от ензими, които са протеини с определени специализирани функции. В разтвори, в които протичат ензимни процеси, няма типична хетерогенна среда, поради липсата на ясно дефинирана фазова граница. Такива процеси се наричат микрохетерогенна катализа.

В живота се сблъскваме с различни химични реакции. Някои от тях, като ръждясването на желязото, могат да продължат няколко години. Други, като ферментацията на захар в алкохол, отнемат няколко седмици. Дървата за огрев в печката изгарят за няколко часа, а бензинът в двигателя изгаря за част от секундата.

За да намалите разходите за оборудване, химически заводиувеличаване на скоростта на реакциите. А някои процеси, като разваляне на храни, корозия на метали, трябва да се забавят.

Скоростта на химична реакцияможе да се изрази като промяна в количеството материя (n, модул) за единица време (t) - сравнете скоростта на движещо се тяло във физиката като промяна в координатите за единица време: υ = Δx/Δt . Така че скоростта не зависи от обема на съда, в който протича реакцията, разделяме израза на обема на реагиращите вещества (v), т.е. получавамепромяна в количеството вещество за единица време на единица обем, или промяна на концентрацията на едно от веществата за единица време:

n 2 − n 1
υ = –––––––––– = –––––––– = Δс/Δt (1)
(t 2 − t 1) v Δt v

където c = n / v - концентрация на веществото,

Δ (произнася се "делта") е общоприетото обозначение за промяна в величината.

Ако в уравнението за вещества различни коефициенти, скоростта на реакцията за всеки от тях, изчислена по тази формула, ще бъде различна. Например 2 мола серен диоксид реагират напълно с 1 мол кислород за 10 секунди в 1 литър:

2SO 2 + O 2 \u003d 2SO 3

Скоростта на кислорода ще бъде: υ \u003d 1: (10 1) \u003d 0,1 mol / l s

Скорост на кисел газ: υ \u003d 2: (10 1) \u003d 0,2 mol / l s- това не е нужно да се учи наизуст и да се говори на изпита, дава се пример, за да не се объркате, ако възникне този въпрос.

Скорост хетерогенни реакции(включващо твърди вещества) често се изразява на единица площ от контактни повърхности:

Δn
υ = –––––– (2)
ΔtS

Реакциите се наричат хетерогенни, когато реагентите са в различни фази:

твърдо вещество с друго твърдо вещество, течност или газ,
две несмесващи се течности
газ течност.

Протичат хомогенни реакции между вещества в една и съща фаза:

между добре смесими течности,
газове,
вещества в разтвори.

Условия, влияещи върху скоростта на химичните реакции

1) Скоростта на реакция зависи от природата на реагентите. Просто казано, различни веществареагират с различна скорост. Например, цинкът реагира бурно със солна киселина, докато желязото реагира доста бавно.

2) Скоростта на реакция е по-голяма, толкова по-висока концентрациявещества. При силно разредена киселина на цинка ще му трябва значително повече време, за да реагира.

3) Скоростта на реакция се увеличава значително с увеличаване температура. Например, за да изгори горивото, е необходимо да го запалите, тоест да повишите температурата. За много реакции повишаването на температурата с 10°C се придружава от увеличаване на скоростта с фактор 2-4.

4) Скорост разнородниреакциите нарастват с увеличаване повърхности на реагенти. Твърдите вещества за това обикновено се натрошават. Например, за да реагират желязото и серните прахове при нагряване, желязото трябва да бъде под формата на малки дървени стърготини.

Моля, имайте предвид, че в този случайформула (1) се подразбира! Формула (2) изразява скоростта на единица площ, следователно не може да зависи от площта.

5) Скоростта на реакцията зависи от наличието на катализатори или инхибитори.

КатализаториВещества, които ускоряват химичните реакции, но сами по себе си не се изразходват. Пример за това е бързото разлагане на водороден пероксид с добавяне на катализатор - манганов (IV) оксид:

2H 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2

Мангановият (IV) оксид остава на дъното и може да се използва повторно.

инхибитори- вещества, които забавят реакцията. Например, за да се удължи живота на тръбите и батериите, към системата за отопление на водата се добавят инхибитори на корозията. В автомобилите към спирачната течност се добавят инхибитори на корозията.

Още няколко примера.

7.1. Хомогенни и хетерогенни реакции

Химическите вещества могат да бъдат в различни агрегатни състояния, докато техните Химични свойствав различни състоянияса еднакви, но дейността е различна (което беше показано в последната лекция с примера топлинен ефектхимическа реакция).

Разгледайте различни комбинации от агрегатни състояния, в които могат да бъдат две вещества А и В.

A (ж.), Б (ж.)

A (тв.), B (тв.)

A (жена), B (телевизор)

смесени

A(tv), B(g)

A (жена), B (d.)

смесени

(решение)

разнородни

хомогенен

разнородни

хомогенен

Hg(l.) + HNO3

H2O + D2O

Fe + O2

H2S + H2SO4

CO+O2

Фазата е площта химическа система, в рамките на който всички свойства на системата са постоянни (едни и същи) или непрекъснато се променят от точка на точка. Отделни фази са всяко от твърдите вещества, освен това има фази на разтвор и газ.

Хомогенна се нарича химическа система, при който всички вещества са в една и съща фаза (в разтвор или в газ). Ако има няколко фази, системата се извиква

разнородни.

Съотв химическа реакциясе нарича хомогенен, ако реагентите са в една и съща фаза. Ако реагентите са в различни фази, тогава химическа реакциянаречени разнородни.

Лесно е да се разбере, че тъй като химическата реакция изисква контакт на реагенти, хомогенна реакция протича едновременно в целия обем на разтвора или реакционния съд, докато хетерогенна реакция възниква на тясна граница между фазите - на границата. Така, чисто теоретично, хомогенната реакция протича по-бързо от хетерогенната.

Така преминаваме към концепцията скорост на химична реакция.

Скоростта на химична реакция. Законът за активните маси. Химично равновесие.

7.2. Скоростта на химична реакция

Клонът на химията, който изучава скоростите и механизмите на химичните реакции, е клонът физическа химияи се обади химична кинетика.

Скоростта на химична реакцияе промяната в количеството вещество за единица време на единица обем на реагиращата система (за хомогенна реакция) или на единица повърхностна площ (за хетерогенна реакция).

По този начин, ако обемът	или област	интерфейси
не се променят, тогава изразите за скоростите на химичните реакции имат формата:


хом о

Съотношението на промяната в количеството на веществото към обема на системата може да се тълкува като промяна в концентрацията на дадено вещество.

Обърнете внимание, че за реагентите в израза за скоростта на химичната реакция се поставя знак минус, тъй като концентрацията на реагентите намалява, а скоростта на химичната реакция всъщност е положителна стойност.

По-нататъшните заключения се основават на прости физически съображения, които разглеждат химичната реакция като следствие от взаимодействието на няколко частици.

Елементарна (или проста) е химическа реакция, която протича в един етап. Ако има няколко етапа, тогава такива реакции се наричат сложни, или комбинирани, или груби реакции.

През 1867 г. е предложено да се опише скоростта на химическа реакция закон за масовото действие: скоростта на елементарна химична реакция, пропорционална на концентрациите на реагентите в степени на стехиометричните коефициенти.n A +m B P,

A, B - реактиви, P - продукти, n ,m - коефициенти.

W =k n m

Коефициентът k се нарича константа на скоростта на химична реакция,

характеризира природата на взаимодействащите частици и не зависи от концентрацията на частиците.

Скоростта на химична реакция. Законът за активните маси. химически баланс. Величините n и m се наричат ред на реакция по вещество A и B, съответно, и

тяхната сума (n + m) - ред на реакция.

За елементарни реакции редът на реакциите може да бъде 1, 2 и 3.

Елементарните реакции с порядък 1 се наричат мономолекулни, с порядък 2 - бимолекулни, с порядък 3 - тримолекулни според броя на участващите молекули. Елементарни реакции от по-висок от трети порядък са неизвестни - изчисленията показват, че едновременната среща на четири молекули в една точка е твърде невероятно събитие.

Тъй като сложната реакция се състои от определена последователност от елементарни реакции, нейната скорост може да се изрази чрез скоростите на отделните етапи на реакцията. Следователно, за сложни реакцииредът може да бъде всякакъв, включително дробен или нулев ( нулев редреакция показва, че реакцията протича с постоянна скорости не зависи от концентрацията на реагиращите частици W =k ).

Най-бавният от етапите на сложен процес обикновено се нарича ограничаващ етап (етап на ограничаване на скоростта).

Представи си това голям броймолекули отидоха на безплатно кино, но на входа има инспектор, който проверява възрастта на всяка молекула. Следователно през вратата на киното влиза поток от материя, а молекулите една по една влизат в киното, т.е. Толкова бавно.

Примери за елементарни реакции от първи ред са процесите на топлинна или радиоактивно разпадане, съответно, константата на скоростта k характеризира или вероятността от разкъсване химическа връзка, или вероятността за разпадане за единица време.

Има много примери за елементарни реакции от втори ред - това е най-познатият начин за протичане на реакциите - частица А влетя в частица Б, настъпи някаква трансформация и нещо се случи там (имайте предвид, че продуктите на теория правят не засяга нищо - цялото внимание се обръща само на реагиращите частици).

Напротив, има доста елементарни реакции от трети ред, тъй като е доста рядко три частици да се срещнат едновременно.

Като илюстрация, помислете за предсказващата сила на химическата кинетика.

Скоростта на химична реакция. Законът за активните маси. химически баланс.

Кинетично уравнение от първи ред

(илюстративен допълнителен материал)

Нека разгледаме хомогенна реакция от първи ред, чиято константа на скоростта е равна на k, началната концентрация на вещество А е равна на [A]0.

По дефиниция скоростта на хомогенна химична реакция е

K[A]

промяна в концентрацията за единица време. Веднъж вещество А -

реагент, поставете знак минус.

Такова уравнение се нарича диференциално уравнение

производна)

[A]

За да го решим, прехвърляме количествата в лявата страна

концентрации, а вдясно - време.

Ако производните на две функции са равни, тогава и самите функции

трябва да се различава с не повече от константа.

За решения дадено уравнениевземете интеграла от лявата страна (по

концентрация) и дясната страна (във времето). За да не плаши

log[ A ] = −kt +C

слушатели, ще се ограничим до отговора.

В иконата - натурален логаритъм, т.е. номер b, така че

\u003d [A], e \u003d 2,71828 ...

ln[ A ]- ln0 = - kt

Константата C се намира от началните условия:

при t = 0 първоначалната концентрация е [A]0

[A]

След като логаритъма

е степен на число, използвайте свойствата на степените

[A]0

e a−b=

Сега нека се отървем от противоположния логаритъм (вижте определението

логаритъм 6-7 реда по-високо),

защо да вдигам номер

на степен на лявата страна на уравнението и дясната страна на уравнението.

[A]

E − kt

Умножете по [A]0

[A]0

Кинетично уравнение от първи ред.

[ A ]= 0 × e − kt

Въз основа

получени кинетично уравнениепърви

поръчка може

изчислено

концентрация на веществото

по всяко време

За целите на нашия курс този резултат е само за информационни цели, за да ви демонстрирам приложението математически апаратза изчисляване на хода на химична реакция. Следователно един компетентен химик не може да не знае математиката. Научете математика!

Скоростта на химична реакция. Законът за активните маси. химически баланс. Графиката на зависимостта на концентрацията на реагентите и продуктите от времето може да бъде качествено изобразена по следния начин (използвайки примера необратима реакцияпърва поръчка)

Фактори, които влияят на скоростта на реакцията

1. Естество на реагентите

Например скоростта на реакцията на следните вещества: H2 SO4, CH3 COOH, H2 S, CH3 OH - с хидроксидния йон ще варира в зависимост от силата H-O връзки. За да оцените силата на тази връзка, можете да използвате стойността на роднината положителен зарядна водороден атом: колкото по-голям е зарядът, толкова по-лесно ще протече реакцията.

2. Температура

Житейският опит ни казва, че скоростта на реакцията зависи от температурата и се увеличава с повишаване на температурата. Например, процесът на вкисване на млякото протича по-бързо при стайна температура, а не в хладилника.

Нека се обърнем към математическия израз на закона за масовото действие.

W =k n m

Тъй като лявата страна на този израз (скоростта на реакцията) зависи от температурата, следователно, дясна частекспресията също зависи от температурата. В същото време концентрацията, разбира се, не зависи от температурата: например млякото запазва съдържанието на мазнини от 2,5% както в хладилник, така и при стайна температура. Тогава, както казваше Шерлок Холмс, оставащото решение е правилното, колкото и странно да изглежда: константата на скоростта зависи от температурата!

Скоростта на химична реакция. Законът за активните маси. химически баланс. Зависимостта на константата на скоростта на реакцията от температурата се изразява с помощта на уравнението на Арениус:

− Да

k = k0 eRT,

при което

R = 8,314 J mol-1 K-1 - универсална газова константа,

E a е енергията на активиране на реакцията (виж по-долу), тя условно се счита за независима от температурата;

k 0 е предекспоненциален коефициент (т.е. коефициентът, който стои преди експонента e ), чиято стойност също е почти независима от температурата и се определя преди всичко от реда на реакцията.

Така стойността на k0 е приблизително 1013 s-1 за реакция от първи ред и 10 -10 l mol-1 s-1 за реакция от втори ред,

за реакция от трети ред - 10 -33 l2 mol-2 s-1. Тези стойности не трябва да се запомнят.

Точните стойности на k0 за всяка реакция се определят експериментално.

Концепцията за енергията на активиране става ясна от следващата фигура. Всъщност енергията на активиране е енергията, която трябва да притежава реагиращата частица, за да се осъществи реакцията.

Освен това, ако нагреем системата, тогава енергията на частиците се увеличава (пунктирана графика), докато преходното състояние (≠) остава на същото ниво. Разликата в енергията между преходното състояние и реагентите (енергия на активиране) намалява и скоростта на реакцията според уравнението на Арениус се увеличава.

Скоростта на химична реакция. Законът за активните маси. химически баланс. В допълнение към уравнението на Арениус има уравнението на Ван'т Хоф, което

характеризира зависимостта на скоростта на реакцията от температурата с помощта на температурния коефициент γ:

Температурният коефициент γ показва колко пъти ще се увеличи скоростта на химичната реакция, когато температурата се промени с 10o.

Уравнение на Вант Хоф:

T 2 − T 1

W (T 2 )= W (T 1 ) × γ10

Обикновено коефициентът γ е в диапазона от 2 до 4. Поради тази причина химиците често използват приближението, че повишаване на температурата с 20o води до увеличаване на скоростта на реакцията с порядък (т.е. 10 пъти).

При дефинирането на понятието скорост на химична реакциянеобходимо е да се прави разлика между хомогенни и хетерогенни реакции. Ако реакцията протича в хомогенна система, например в разтвор или в смес от газове, тогава тя протича в целия обем на системата. Скоростта на хомогенна реакциянарича се количеството вещество, което влиза в реакция или се образува в резултат на реакция за единица време в единица обем на системата. Тъй като съотношението на броя молове на веществото към обема, в който то е разпределено, е моларната концентрация на веществото, скоростта на хомогенна реакция може също да се определи като промяна в концентрацията за единица време на някое от веществата: изходен реагент или реакционен продукт. За да се гарантира, че резултатът от изчислението винаги е положителен, независимо дали е произведен от реагент или продукт, във формулата се използва знакът "±":

В зависимост от естеството на реакцията, времето може да бъде изразено не само в секунди, както се изисква от системата SI, но и в минути или часове. По време на реакцията стойността на нейната скорост не е постоянна, а непрекъснато се променя: тя намалява, тъй като концентрациите на изходните вещества намаляват. Горното изчисление дава средната стойност на скоростта на реакцията за определен интервал от време Δτ = τ 2 – τ 1 . Истинската (моментна) скорост се определя като границата, до която отношението Δ ОТ/ Δτ при Δτ → 0, т.е. истинската скорост е равна на времевата производна на концентрацията.

За реакция, чието уравнение съдържа стехиометрични коефициенти, които се различават от единица, стойностите на скоростта, изразени за различни вещества, не са еднакви. Например, за реакцията A + 3B \u003d D + 2E, потреблението на вещество А е един мол, вещество В е три мола, пристигането на вещество Е е два мола. Ето защо υ (A) = ⅓ υ (B) = υ (D)=½ υ (E) или υ (E) . = ⅔ υ (AT) .

Ако протича реакция между вещества, които са в различни фази на хетерогенна система, тогава тя може да се осъществи само на границата между тези фази. Например, взаимодействието на киселинен разтвор и парче метал се случва само на повърхността на метала. Скоростта на хетерогенна реакциянарича се количеството вещество, което влиза в реакция или се образува в резултат на реакция за единица време за единица интерфейс между фазите:

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от концентрацията на реагентите се изразява чрез закона за масовото действие: при постоянна температура, скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на моларните концентрации на реагентите, повишени на степен, равни на коефициентитес формулите на тези вещества в уравнението на реакцията. След това за реакцията

2A + B → продукти

съотношението υ ~ · ОТА 2 ОТБ, а за прехода към равенство се въвежда коефициентът на пропорционалност к, Наречен константа на скоростта на реакцията:

υ = к· ОТА 2 ОТ B = к[A] 2 [V]

(моларните концентрации във формулите могат да бъдат обозначени като буквата ОТсъс съответния индекс и формулата на веществото, оградена в квадратни скоби). физически смисълконстанти на скоростта на реакцията - скоростта на реакцията при концентрации на всички реагенти, равни на 1 mol / l. Размерът на константата на скоростта на реакцията зависи от броя на факторите от дясната страна на уравнението и може да бъде от -1; s –1 (l/mol); s –1 (l 2 / mol 2) и т.н., т.е. така, че във всеки случай при изчисленията скоростта на реакцията се изразява в mol l –1 s –1.

За хетерогенни реакции уравнението на закона за масово действие включва концентрациите само на тези вещества, които са в газова фаза или в разтвор. Концентрацията на вещество в твърдата фаза е постоянна стойност и е включена в константата на скоростта, например, за процеса на изгаряне на въглища C + O 2 = CO 2, законът за масовото действие е написан:

υ = kI const = к·,

където к= kIконст.

В системи, където едно или повече вещества са газове, скоростта на реакцията също зависи от налягането. Например, когато водородът взаимодейства с йодните пари H 2 + I 2 \u003d 2HI, скоростта на химическата реакция ще се определя от израза:

υ = к··.

Ако налягането се повиши, например, 3 пъти, тогава обемът, зает от системата, ще намалее със същото количество и, следователно, концентрациите на всяко от реагиращите вещества ще се увеличат със същото количество. Скоростта на реакция в този случай ще се увеличи 9 пъти

Температурна зависимост на скоростта на реакциятасе описва от правилото на Вант Хоф: за всеки 10 градуса повишаване на температурата скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти. Това означава, че с повишаване на температурата аритметична прогресияскоростта на химичната реакция се увеличава с геометрична прогресия. Основата във формулата за прогресия е температурен коефициентскорост на реакцияγ, показващ колко пъти се увеличава скоростта на дадена реакция (или, което е същото, константата на скоростта) с повишаване на температурата с 10 градуса. Математически правилото на Ван'т Хоф се изразява с формулите:

или

където и са скоростите на реакцията, съответно, в началото T 1 и окончателно T 2 температури. Правилото на Вант Хоф може да се изрази и по следния начин:

; ; ; ,

където и са съответно скоростта и константата на скоростта на реакцията при температура T; и са еднакви стойности при температура T +10н; не броят на интервалите от „десет градуса“ ( н =(T 2 –T 1)/10), с която се е променила температурата (може да бъде цяло число или дробно число, положително или отрицателно).

Примери за решаване на проблеми

Пример 1Как ще се промени скоростта на реакцията 2СО + О 2 = 2СО 2, протичаща в затворен съд, ако налягането се удвои?

Решение:

Скоростта на определената химична реакция се определя от израза:

υ начало = к· [CO] 2 · [O 2 ].

Увеличаването на налягането води до увеличаване на концентрацията на двата реагента с коефициент 2. Имайки това предвид, ние пренаписваме израза за закона за масовото действие:

υ 1 = к 2 = к 2 2 [CO] 2 2 [O 2] \u003d 8 к[CO] 2 [O 2] \u003d 8 υ рано

Отговор:Скоростта на реакция ще се увеличи 8 пъти.

Пример 2Изчислете колко пъти ще се увеличи скоростта на реакцията, ако температурата на системата се повиши от 20 °C на 100 °C, като се приеме, че стойността на температурния коефициент на скоростта на реакцията е 3.

Решение:

Съотношението на скоростите на реакцията при две различни температури е свързано с температурния коефициент и температурната промяна по формулата:

Изчисление:

Отговор:Скоростта на реакция ще се увеличи с 6561 пъти.

Пример 3При изследване на хомогенната реакция A + 2B = 3D беше установено, че в рамките на 8 минути от реакцията количеството на веществото А в реактора намалява от 5,6 mol на 4,4 mol. Обемът на реакционната маса е 56 литра. Изчислете средната скорост на химична реакция за изследвания период от време за вещества A, B и D.

Решение:

Използваме формулата в съответствие с дефиницията на понятието " Средната скоростхимическа реакция" и заменете цифровите стойности, като получите средната скорост за реагент А:

От уравнението на реакцията следва, че в сравнение със скоростта на загуба на вещество А, скоростта на загуба на вещество В е два пъти по-голяма, а скоростта на увеличаване на количеството на продукта D е три пъти по-голяма. Следователно:

υ (A) = ½ υ (B)=⅓ υ (Д)

и тогава υ (B) = 2 υ (A) \u003d 2 2,68 10 -3 \u003d 6,36 10 -3 mol l -1 min -1;

υ (D)=3 υ (A) = 3 2,68 10 -3 = 8,04 10 -3 mol l -1 min -1

Отговор: u(A) = 2,68 10 -3 mol l -1 min -1; υ (B) = 6,36 10–3 mol l–1 min–1; υ (D) = 8,04 10–3 mol l–1 min–1.

Пример 4За да се определи константата на скоростта на хомогенната реакция A + 2B → продукти, бяха проведени два експеримента при различни концентрации на вещество B и беше измерена скоростта на реакцията.

Скоростта на химичните реакции, нейната зависимост от различни фактори

Хомогенни и хетерогенни химични реакции

Протичат химични реакции с различни скорости: при ниска скорост - по време на образуването на сталактити и сталагмити, при средна скорост - при готвене на храна, моментално - при експлозия. Реакциите са много бързи водни разтвори, почти мигновено. Смесваме разтвори на бариев хлорид и натриев сулфат - веднага се образува бариев сулфат под формата на утайка. Сярата изгаря бързо, но не моментално, магнезият се разтваря солна киселина, етиленът обезцветява бромната вода. Бавно се образува ръжда върху железни предмети, плака върху медни и бронзови продукти, листата бавно гният и зъбите се унищожават.

Предсказването на скоростта на химичната реакция, както и изясняването на нейната зависимост от условията на процеса, е задача химична кинетика— наука за закономерностите на хода на химичните реакции във времето.

Ако химичните реакции протичат в хомогенна среда, например в разтвор или в газова фаза, тогава взаимодействието на реагентите се извършва в целия обем. Такива реакции, както знаете, се наричат хомогенен.

Скоростта на хомогенна реакция ($v_(homog.)$) се определя като промяна в количеството вещество за единица време на единица обем:

$υ_(homog.)=(∆n)/(∆t V),$

където $∆n$ е изменението на броя молове на едно вещество (най-често първоначалното, но може да бъде и продуктът на реакцията); $∆t$ — времеви интервал (s, мин.); $V$ е обемът газ или разтвор (l).

Тъй като съотношението на веществото към обема е моларна концентрация$C$ тогава

$(∆n)/(V)=∆C.$

По този начин, хомогенна скорост на реакциятасе определя като промяна в концентрацията на едно от веществата за единица време:

$υ_(homog.)=(∆C)/(∆t)[(mol)/(l s)]$

ако обемът на системата не се променя. Ако реакцията протича между вещества, които са в различни агрегатни състояния (например между твърдои газ или течност), или между вещества, които не са в състояние да образуват хомогенна среда (например между несмесващи се течности), тогава преминава само върху контактната повърхност на веществата. Такива реакции се наричат разнородни.

Хетерогенна скорост на реакциясе определя като промяна в количеството материя за единица време на единица повърхност:

$υ_(homog.)=(∆C)/(∆t S)[(mol)/(c m^2)]$

където $S$ е повърхността на контакт между веществата ($m^2, cm^2$).

Ако за която и да е протичаща реакция концентрацията на изходното вещество се измерва експериментално в различни моменти от време, тогава нейната промяна може да се покаже графично с помощта на кинетичната крива за този реагент.

Скоростта на реакция не е постоянна стойност. Ние посочихме само определена средна скорост на дадена реакция в определен интервал от време.

Представете си, че определяме скоростта на реакцията

$H_2+Cl_2→2HCl$

а) чрез промяна на концентрацията на $Н_2$;

б) чрез промяна на концентрацията на $HCl$.

Ще получим ли еднакви стойности? В крайна сметка от $1$ mol $H_2$ се образува $2$ mol $HCl$, така че скоростта в случай b) ще бъде два пъти по-висока. Следователно стойността на скоростта на реакцията зависи и от веществото, от което се определя.

Промяната в количеството на веществото, по което се определя скоростта на реакцията, е външен факторнаблюдаван от изследователя. Всъщност всички процеси се извършват на микро ниво. Очевидно е, че за да реагират някои частици, те трябва преди всичко да се сблъскат, и то ефективно: не се разпръсквайте като топки в различни страни, но по такъв начин, че старите връзки се разрушават или отслабват в частиците и могат да се образуват нови, като за това частиците трябва да имат достатъчно енергия.

Изчислените данни показват, че например в газовете сблъсъци на молекули при атмосферно наляганесе изчисляват в милиарди за $1$ секунда, т.е. всички реакции трябва да са мигновени. Но не е. Оказва се, че само много малка част от молекулите имат необходимата енергия, за да предизвикат ефективен сблъсък.

Минималният излишък на енергия, който една частица (или двойка частици) трябва да притежава, за да възникне ефективен сблъсък, се нарича активираща енергия$E_a$.

Така по пътя на всички влизащи в реакцията частици има енергийна бариера, равна на енергията на активиране $E_a$. Когато е малък, има много частици, които могат да го преодолеят, а скоростта на реакцията е висока. В противен случай е необходим тласък. Когато донесете кибрит, за да запалите спиртна лампа, вие предавате допълнителната енергия $E_a$, необходима за ефективно сблъскване на молекулите на алкохола с молекулите на кислорода (преодоляване на бариерата).

В заключение заключаваме, че много възможни реакции практически не се случват, т.к висока енергия на активиране.

Това е от голямо значение за живота ни. Представете си какво би се случило, ако всички термодинамично разрешени реакции могат да протичат без никаква енергийна бариера (енергия на активиране). Кислородът във въздуха ще реагира с всичко, което може да изгори или просто да се окисли. Всички щяха да страдат органична материя, те биха се превърнали в въглероден двуокис$CO_2$ и вода $H_2O$.

Скоростта на химичната реакция зависи от много фактори. Основните са: естеството и концентрацията на реагентите, налягането (при реакции с участието на газове), температурата, действието на катализаторите и повърхността на реагентите в случай на хетерогенни реакции. Разгледайте влиянието на всеки от тези фактори върху скоростта на химичната реакция.

температура

Знаете, че когато температурата се повиши, в повечето случаи скоростта на химичната реакция се увеличава значително. През 19 век холандският химик J. H. Van't Hoff формулира правилото:

Повишаването на температурата за всеки $10°C$ води до увеличаване на скоростта на реакцията с фактор 2-4 (тази стойност се нарича температурен коефициент на реакцията).

С повишаване на температурата средната скорост на молекулите, тяхната енергия и броят на сблъсъците леко се увеличават, но частта от активните молекули, участващи в ефективни сблъсъци, които преодоляват енергийната бариера на реакцията, рязко се увеличава.

Математически тази зависимост се изразява чрез отношението:

$υ_(t_2)=υ_(t_1)γ^((t_2-t_1)/(10)),$

където $υ_(t_1)$ и $υ_(t_2)$ са скоростите на реакцията при крайните $t_2$ и началните $t_1$ температури, съответно, и $γ$ е температурният коефициент на скоростта на реакцията, който показва колко пъти скоростта на реакцията нараства с повишаване на температурата за всеки $10°C$.

Въпреки това, за да се увеличи скоростта на реакцията, повишаването на температурата не винаги е приложимо, т.к. изходните вещества могат да започнат да се разлагат, разтворителите или самите вещества могат да се изпарят.

Концентрация на реагента

Промяна в налягането с участие в реакцията газообразни веществасъщо води до промяна в концентрацията на тези вещества.

Да се сбъдне химично взаимодействиемежду частиците, те трябва ефективно да се сблъскат. Колкото по-голяма е концентрацията на реагентите, толкова повече сблъсъци и съответно по-висока скорост на реакцията. Например ацетиленът гори много бързо в чист кислород. Това развива температура, достатъчна за стопяване на метала. Въз основа на голям експериментален материал през 1867 г. норвежците К. Гулденберг и П. Вааге и независимо от тях през 1865 г. руският учен Н. И. Бекетов формулират основния закон на химичната кинетика, който установява зависимостта на реакцията скорост на концентрацията на реагиращите вещества.

Скоростта на химичната реакция е пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите, взети в степени, равни на техните коефициенти в уравнението на реакцията.

Този закон се нарича още закон за масовото действие.

За реакцията $A+B=D$ този закон се изразява по следния начин:

$υ_1=k_1 C_A C_B$

За реакцията $2A+B=D$ този закон се изразява по следния начин:

$υ_2=k_2 C_A^2 C_B$

Тук $C_A, C_B$ са концентрациите на вещества $A$ и $B$ (mol/l); $k_1$ и $k_2$ са коефициентите на пропорционалност, наречени константи на скоростта на реакцията.

Физическият смисъл на константата на скоростта на реакцията не е труден за установяване - тя е числено равна на скоростта на реакцията, при която концентрациите на реагентите са равни на $1$ mol/l или произведението им е равно на единица. В този случай е ясно, че константата на скоростта на реакцията зависи само от температурата и не зависи от концентрацията на веществата.

Законът за масовото действие не отчита концентрацията на реагиращите вещества в твърдо състояние, т.к те реагират на повърхности и техните концентрации обикновено са постоянни.

Например за реакцията на горене на въглища

Изразът на скоростта на реакция трябва да бъде написан така:

$υ=k·C_(O_2)$,

т.е. скоростта на реакцията е само пропорционална на концентрацията на кислород.

Ако уравнението на реакцията описва само цялостната химическа реакция, която протича на няколко етапа, тогава скоростта на такава реакция може сложен начинзависят от концентрациите на изходните материали. Тази зависимост се определя експериментално или теоретично въз основа на предложения механизъм на реакция.

Действието на катализаторите

Възможно е да се увеличи скоростта на реакцията чрез използване на специални вещества, които променят механизма на реакцията и я насочват по енергийно по-благоприятен път с по-ниска енергия на активиране. Те се наричат катализатори(от лат. катализа- унищожаване).

Катализаторът действа като опитен гид, превеждайки група туристи не през висок проход в планината (преодоляването му изисква много усилия и време и не е достъпен за всеки), а по познатите му обходни пътеки, по които можете да преодолеете планината много по-лесно и по-бързо. Вярно е, че по заобиколен път можете да стигнете не точно там, където води основният проход. Но понякога точно това ви трябва! Така действат катализаторите, които се наричат селективен. Ясно е, че няма нужда да се изгарят амоняк и азот, но азотният оксид (II) се използва при производството на азотна киселина.

Катализаторите са вещества, които участват в химическа реакция и променят нейната скорост или посока, но в края на реакцията остават непроменени количествено и качествено.

Промяната на скоростта на химичната реакция или нейната посока с помощта на катализатор се нарича катализа. Катализаторите се използват широко в различни индустрии и в транспорта (каталитични конвертори, които превръщат азотните оксиди в изгорелите газове на автомобилите в безвреден азот).

Има два вида катализа.

хомогенна катализакъдето и катализаторът, и реагентите са в едно и също агрегатно състояние(фаза).

хетерогенна катализакъдето катализаторът и реагентите са в различни фази. Например, разлагането на водороден пероксид в присъствието на твърд катализатор манганов (IV) оксид:

$2H_2O_2(→)↖(MnO_2(I))2H_2O_((l))+O_2(g)$

Самият катализатор не се изразходва в резултат на реакцията, но ако на повърхността му се адсорбират други вещества (те се наричат каталитични отрови), тогава повърхността става неработеща, необходима е регенерация на катализатора. Следователно, преди провеждане на каталитичната реакция, изходните материали се пречистват напълно.

Например при производството на сярна киселина чрез контактизползвайте твърд катализатор - ванадиев (V) оксид $V_2O_5$:

$2SO_2+O_2⇄2SO_3$

При производството на метанол се използва твърд цинк-хромов катализатор ($8ZnO Cr_2O_3×CrO_3$):

$CO_((g))+2H_(2(g))⇄CH_3OH_((g))$

Биологичните катализатори работят много ефективно - ензими. от химическа природатова са катерици. Благодарение на тях сложните химични реакции протичат с висока скорост в живите организми при ниски температури. Ензимите са много специфични, всеки от тях ускорява само собствената си реакция, която отива към точното времеи на правилното място с доходност, близка до $100%$. Създаването на изкуствени катализатори, подобни на ензимите, е мечта на химиците!

Разбира се, чували сте и за други интересни вещества - инхибитори(от лат. инхибирам- забавяне). Те реагират с активни частици с висока скорост, за да образуват неактивни съединения. В резултат на това реакцията рязко се забавя и след това спира. Инхибиторите често се добавят специално към различни вещества, за да предотвратят нежелани процеси.

Например, с помощта на инхибитори, разтвори на водороден прекис, мономери за предотвратяване на преждевременна полимеризация, солна киселина се стабилизират, така че да могат да се транспортират в стоманени контейнери. Инхибиторите се намират и в живите организми, те потискат различни вредни окислителни реакции в тъканните клетки, които могат да бъдат инициирани например от радиоактивно лъчение.

Естеството на реагентите (техният състав, структура)

Стойността на енергията на активиране е факторът, чрез който се влияе влиянието на природата на реагиращите вещества върху скоростта на реакцията.

Ако енергията на активиране е малка ($< 40$ 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 этих случаях ничтожно мала.

Ако енергията на активиране е висока ($> 120$ kJ/mol), това означава, че само незначителна част от сблъсъците между взаимодействащи частици водят до реакция. Следователно скоростта на такава реакция е много бавна. Например, развитието на реакцията на синтез на амоняк при обикновена температура е почти невъзможно да се забележи.

Ако енергиите на активиране имат междинни стойности ($40-120$ kJ/mol), тогава скоростите на такива реакции ще бъдат средни. Тези реакции включват взаимодействието на натрий с вода или етилов алкохол, обезцветяване бромна водаетилен, взаимодействието на цинка със солна киселина и др.

Контактна повърхност на реагентите

Скоростта на реакциите, протичащи на повърхността на веществата, т.е. хетерогенен, зависи от др равни условиявърху свойствата на тази повърхност. Известно е, че тебеширът на прах се разтваря много по-бързо в солна киселина, отколкото парче тебешир с еднаква маса.

Увеличаването на скоростта на реакцията се обяснява преди всичко с увеличаването на контактната повърхност на изходните вещества, както и с редица други причини, например разрушаването на структурата на правилния кристална решетка. Това води до факта, че частиците на повърхността на образуваните микрокристали са много по-реактивни от същите частици върху гладка повърхност.

В промишлеността за провеждане на хетерогенни реакции се използва кипящ слой за увеличаване на контактната повърхност на реагентите, доставяне на изходни материали и отстраняване на продуктите. Например, при производството на сярна киселина с използване на кипящ слой, пиритът се пече; в органична химияс помощта на кипящ слой се извършва каталитичен крекинг на нефтопродукти и регенериране (възстановяване) на повреден (коксуван) катализатор.