Зависимостта на скоростта на химичната реакция. Скоростта на химичните реакции

системи. Но дадена стойностне отразява реална възможност напредък на реакцията, нея скорости механизъм.

За пълно представяне на химична реакция трябва да се знае какви времеви модели съществуват по време на нейното изпълнение, т.е. скорост на химична реакцияи неговия подробен механизъм. Изследвания на скоростта и механизма на реакцията химична кинетиканауката за химичния процес.

От гледна точка химична кинетика, реакциите могат да бъдат класифицирани на прости и сложни.

прости реакции- процеси, протичащи без образуване на междинни съединения. Според броя на участващите в него частици се делят на мономолекулни, бимолекулни, тримолекулни.Сблъсъкът на повече от 3 частици е малко вероятен, така че тримолекулните реакции са доста редки, а четиримолекулните са неизвестни. Сложни реакции - процеси, състоящи се от няколко елементарни реакции.

Всеки процес протича с присъщата му скорост, която може да се определи от промените, които настъпват за определен период от време. средата скорост на химична реакцияизразява се като промяна в количеството на дадено вещество нконсумирано или получено вещество за единица обем V за единица време t.

υ = ± дн/ дт· V

Ако веществото се консумира, тогава поставяме знака "-", ако се натрупва - "+"

При постоянен обем:

υ = ± DC/ дт,

Единица за скорост на реакцията mol/l s

Като цяло υ е постоянна стойност и не зависи от това кое вещество следваме в реакцията.

Зависимостта на концентрацията на реагента или продукта от времето на реакцията е представена като кинетична крива, което изглежда така:

По-удобно е да се изчисли υ от експериментални данни, ако горните изрази се преобразуват в следния израз:

Законът за активните маси. Ред и константа на скоростта на реакцията

Една от формулировките закон действащи маси звучи така: Скоростта на елементарна хомогенна химична реакция е правопропорционална на произведението на концентрациите на реагентите.

Ако процесът, който се изследва, е представен като:

a A + b B = продукти

тогава може да се изрази скоростта на химична реакция кинетично уравнение:

υ = k [A] a [B] bили

υ = k C a A C b B

Тук [ А] и [б] (C A иC B) - концентрация на реагенти,

а иbса стехиометричните коефициенти на проста реакция,

ке константата на скоростта на реакцията.

Химическото значение на количеството к- това е бърза реакцияпри единични концентрации. Тоест, ако концентрациите на веществата А и В са равни на 1, тогава υ = к.

Трябва да се има предвид, че при сложни химични процеси коеф а иbне съвпадат със стехиометричните.

Законът за масовото действие се изпълнява при редица условия:

Реакцията е термично активирана, т.е. енергия топлинно движение.
Концентрацията на реагентите е равномерно разпределена.
Свойствата и условията на околната среда не се променят по време на процеса.
Свойствата на околната среда не трябва да влияят к.

За сложни процеси закон за масовото действие не може да се прилага. Това може да се обясни с факта, че един сложен процес се състои от няколко елементарни етапа и неговата скорост ще се определя не от общата скорост на всички етапи, а от един от най-бавните етапи, който се нарича ограничаване.

Всяка реакция има своя собствена поръчка. Определяне на частна (частична) поръчкачрез реагент и общ (пълен) ред. Например в израза за скоростта на химична реакция за процес

a A + b B = продукти

υ = к·[ А] а·[ б] b

а– подреждане по реактив НО

b — подреждане по реагент AT

Общ ред а + b = н

За прости процесиредът на реакцията показва броя на реагиращите частици (съвпада със стехиометричните коефициенти) и приема цели числа. За сложни процесиредът на реакцията не съвпада със стехиометричните коефициенти и може да бъде произволен.

Нека определим факторите, влияещи върху скоростта на химичната реакция υ.

Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите
определя се от закона за масовото действие: υ = к[ А] а·[ б] b

Очевидно с увеличаване на концентрациите на реагентите υ се увеличава, т.к нараства броят на сблъсъците между веществата, участващи в химичния процес. Освен това е важно да се вземе предвид редът на реакцията: ако тя n=1за някакъв реагент, тогава неговата скорост е право пропорционална на концентрацията на това вещество. Ако за някакъв реагент n=2, тогава удвояването на концентрацията му ще доведе до увеличаване на скоростта на реакцията с 2 2 \u003d 4 пъти, а увеличаването на концентрацията с 3 пъти ще ускори реакцията с 3 2 \u003d 9 пъти.

Скоростта на химична реакция

Темата "Скоростта на химичната реакция" е може би най-сложната и противоречива в училищната програма. Това се дължи на сложността на самата химична кинетика, един от клоновете на физическата химия. Самото определение на понятието "скорост на химична реакция" вече е двусмислено (вижте например статията на L.S. Guzey във вестник "Химия", 2001 г., № 28,
с. 12). | Повече ▼ повече проблемивъзниква, когато се опитвате да приложите закона за масовото действие за скоростта на реакцията към всяка химически системи, тъй като диапазонът от обекти, за които е възможно количествено описание на кинетичните процеси в рамките на училищна програма, много тясна. Бих искал да подчертая неправилността на използването на закона за масовото действие за скоростта на химична реакция при химично равновесие.
В същото време би било погрешно изобщо да откажем да разглеждаме тази тема в училище. Идеите за скоростта на химическата реакция са много важни при изучаването на много природни и технологични процеси; без тях е невъзможно да се говори за катализа и катализатори, включително ензими. Въпреки че при обсъждането на трансформациите на веществата се използват предимно качествени идеи за скоростта на химичната реакция, въвеждането на най-простите количествени съотношения все още е желателно, особено за елементарни реакции.
В публикуваната статия въпросите на химическата кинетика са разгледани достатъчно подробно, които могат да бъдат обсъдени на училищни уроцихимия. Изключване от курса училищна химияспорните и противоречиви моменти на тази тема е особено важна за онези студенти, които ще продължат своето химическо образованиев университета. В крайна сметка знанията, придобити в училище, често са в конфликт с научната реалност.

Химичните реакции могат да варират значително във времето. Смес от водород и кислород при стайна температура може да остане практически непроменена за дълго време, но при удар или запалване ще настъпи експлозия. Желязната плоча бавно ръждясва и парче бял фосфор се запалва спонтанно във въздуха. Важно е да знаете колко бързо протича определена реакция, за да можете да контролирате нейния ход.

Основни понятия

количествен характеристика наколко бързо протича дадена реакция е скоростта на химическата реакция, т.е. скоростта на изразходване на реагентите или скоростта на появата на продуктите. В този случай няма значение кое от веществата, участващи в реакцията, става въпрос, тъй като всички те са свързани помежду си чрез уравнението на реакцията. По промяна на количеството на едно от веществата може да се съди за съответните промени в количествата на всички останали.

Скоростта на химична реакция () наречена промяна в количеството вещество на реагента или продукта () за единица време () за единица обем (V):

= /(V ).

Скорост на реакция в този случайобикновено се изразява в mol/(l s).

Горният израз се отнася до хомогенни химични реакции, протичащи в хомогенна среда, например между газове или в разтвор:

2SO 2 + O 2 \u003d 2SO 3,

BaCl 2 + H 2 SO 4 \u003d BaSO 4 + 2HCl.

На контактните повърхности протичат хетерогенни химични реакции твърдои газ, твърди и течни и др. Хетерогенните реакции включват например реакции на метали с киселини:

Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2.

В e този случай скоростта на реакцията е промяната в количеството на реагент или продукт () за единица време() на единица площ (S):

= /(С ).

Скоростта на хетерогенна реакция се изразява в mol/(m 2 s).

За да контролирате химичните реакции, е важно не само да можете да определите тяхната скорост, но и да разберете какви условия им влияят. Клон на химията, който изучава скоростта на химичните реакции и ефекта върху тях различни фактори, е наречен химична кинетика.

Честота на сблъсък на реагиращи частици

Най-важният фактор, който определя скоростта на химичната реакция, - концентрация.

С увеличаването на концентрацията на реагентите скоростта на реакцията обикновено се увеличава. За да влязат в реакция, две химически частици трябва да се доближат една до друга, така че скоростта на реакцията зависи от броя на сблъсъците между тях. Увеличаване на броя на частиците в даден обемводи до по-чести сблъсъци и до увеличаване на скоростта на реакция.

За хомогенни реакции увеличаването на концентрацията на един или повече реагенти ще увеличи скоростта на реакцията. При намаляване на концентрацията се наблюдава обратен ефект. Концентрацията на вещества в разтвор може да се промени чрез добавяне или премахване на реагенти или разтворител от реакционната сфера. В газовете концентрацията на едно от веществата може да се увеличи чрез въвеждане на допълнително количество от това вещество в реакционната смес. Концентрации на всички газообразни веществаможе да се увеличи едновременно чрез намаляване на обема, зает от сместа. В този случай скоростта на реакцията ще се увеличи. Увеличаването на обема има обратен ефект.

Скоростта на хетерогенните реакции зависи от повърхността на контакт на веществата, т.е. върху степента на смилане на веществата, пълнотата на смесване на реагентите, както и върху състоянието на кристалните структури твърди вещества. Всяко нарушение в кристалната структура предизвиква увеличение реактивносттвърди вещества, защото да унищожи силен кристална структурае необходима допълнителна енергия.

Помислете за изгарянето на дърва. Цял дънер гори относително бавно на въздух. Ако увеличите повърхността на контакт на дървото с въздуха, разделяйки трупа на чипове, скоростта на горене ще се увеличи. В същото време дървото гори много по-бързо в чист кислород, отколкото във въздуха, който съдържа само около 20% кислород.

За да възникне химическа реакция, трябва да се сблъскат частици – атоми, молекули или йони. В резултат на сблъсъци атомите се пренареждат и възникват нови химични връзки, което води до образуването на нови вещества. Вероятността за сблъсък на две частици е доста висока, вероятността за едновременен сблъсък на три частици е много по-малка. Едновременният сблъсък на четири частици е изключително малко вероятен. Следователно повечето реакции протичат на няколко етапа, на всеки от които взаимодействат не повече от три частици.

Окислителната реакция на бромоводорода протича със забележима скорост при 400–600 °C:

4HBr + O 2 \u003d 2H 2 O + 2Br 2.

Според уравнението на реакцията пет молекули трябва да се сблъскат едновременно. Вероятността от такова събитие обаче е практически нулева. Нещо повече, експериментални изследвания показват, че увеличаването на концентрацията - на кислород или бромоводород - увеличава скоростта на реакцията със същия брой пъти. И това въпреки факта, че четири молекули бромоводород се изразходват за всяка молекула кислород.

Подробното разглеждане на този процес показва, че той протича на няколко етапа:

1) HBr + O 2 = HOOVr (бавна реакция);

2) HOOVr + HBr = 2NOVr (бърза реакция);

3) NOVr + HBr = H 2 O + Br 2 (бърза реакция).

Тези реакции, т.нар елементарни реакции, отразяват механизъм на реакцияокисление на бромоводород с кислород. Важно е да се отбележи, че във всяка от междинните реакции участват само две молекули. Добавянето на първите две уравнения и два пъти на третото дава обобщено уравнениереакции. Общата скорост на реакцията се определя от най-бавната междинна реакция, при която взаимодействат една молекула бромоводород и една молекула кислород.

Скоростта на елементарните реакции е правопропорционална на произведението на моларните концентрации с (се количеството вещество на единица обем, с = /V) реагенти, взети в степени, равни на техните стехиометрични коефициенти ( закон за масовото действиеза скоростта на химическа реакция). Това е вярно само за уравненията на реакциите, които отразяват механизмите на реалните химически процесикогато стехиометричните коефициенти пред формулите на реагентите съответстват на броя на взаимодействащите частици.

Според броя на молекулите, които взаимодействат в реакцията, реакциите се разграничават като мономолекулни, бимолекулни и тримолекулни. Например, дисоциацията на молекулярния йод на атоми: I 2 \u003d 2I - мономолекулна реакция.

Взаимодействието на йод с водород: I 2 + H 2 \u003d 2HI - бимолекулярна реакция. Законът за масовото действие за химични реакции с различна молекулярност е написан по различни начини.

Мономолекулни реакции:

A = B + C,

= kcа ,

където ке константата на скоростта на реакцията.

Бимолекулярни реакции:

= kcА ° С AT.

Тримолекулни реакции:

= kc 2А ° С AT.

Активираща енергия

сблъсък химически частициводи до химично взаимодействие само ако сблъскващите се частици имат енергия, надвишаваща определена стойност. Помислете за взаимодействието на газообразни вещества, състоящи се от молекули A 2 и B 2:

A 2 + B 2 \u003d 2AB.

В хода на химическа реакция настъпва пренареждане на атомите, придружено от счупване химически връзкив изходните материали и образуването на връзки в реакционните продукти. При сблъсък на реагиращите молекули се получава т.нар активиран комплекс, при което електронната плътност се преразпределя и едва тогава се получава крайният реакционен продукт:

Енергията, необходима за преминаването на веществата в състояние на активиран комплекс, се нарича активираща енергия.

Дейност химически веществасе проявява в ниската енергия на активиране на реакциите с тяхно участие. Колкото по-ниска е енергията на активиране, толкова по-висока е скоростта на реакцията. Например при реакции между катиони и аниони енергията на активиране е много ниска, така че такива реакции протичат почти мигновено. Ако енергията на активиране е висока, тогава много малка част от сблъсъците водят до образуването на нови вещества. По този начин скоростта на реакцията между водород и кислород при стайна температура е практически нула.

Така че скоростта на реакцията се влияе от природата на реагентите. Помислете например за реакциите на метали с киселини. Ако поставим еднакви парчета мед, цинк, магнезий и желязо в епруветки с разредена сярна киселина, можем да видим, че интензивността на отделяне на мехурчета водороден газ, която характеризира скоростта на реакцията, се различава значително за тези метали. В епруветка с магнезий се наблюдава бързо отделяне на водород, в епруветка с цинк газовите мехурчета се отделят малко по-спокойно. Реакцията протича още по-бавно в епруветка с желязо (фиг.). Медта изобщо не реагира с разредена сярна киселина. По този начин скоростта на реакцията зависи от активността на метала.

При замяна на сярна киселина (силна киселина) с оцетна ( слаба киселина) скоростта на реакцията се забавя значително във всички случаи. Може да се заключи, че естеството на двата реагента, както на метала, така и на киселината, влияе върху скоростта на реакцията на метал с киселина.

Повишете температураводи до увеличаване на кинетичната енергия на химическите частици, т.е. увеличава броя на частиците с енергия, по-висока от енергията на активиране. С повишаването на температурата броят на сблъсъците на частиците също се увеличава, което до известна степен увеличава скоростта на реакцията. Въпреки това, увеличаването на ефективността на сблъсъците чрез увеличаване на кинетичната енергия има по-голям ефект върху скоростта на реакцията, отколкото увеличаването на броя на сблъсъците.

Когато температурата се повиши с десет градуса, скоростта се увеличава с фактор, равен на температурния коефициент на скорост:

= T+10 /T .

При повишаване на температурата от Tпреди T"
съотношение скорост на реакция T" и Tсе равнява
температурен коефициент на скорост в мощността ( T" – T)/10:

T" /T = (T"–T)/10.

За много хомогенни реакции температурният коефициент на скоростта е 24 (правило на Ван'т Хоф). Зависимостта на скоростта на реакцията от температурата може да се проследи чрез примера на взаимодействието на меден (II) оксид с разредена сярна киселина. При стайна температура реакцията протича много бавно. При нагряване реакционната смес бързо става синя поради образуването на меден (II) сулфат:

CuO + H 2 SO 4 \u003d CuSO 4 + H 2 O.

Катализатори и инхибитори

Много реакции могат да бъдат ускорени или забавени чрез въвеждането на определени вещества. Добавените вещества не участват в реакцията и не се изразходват по време на нейното протичане, но оказват значително влияние върху скоростта на реакцията. Тези вещества променят механизма на реакцията (включително състава на активирания комплекс) и намаляват енергията на активиране, което осигурява ускоряване на химичните реакции. Веществата, които ускоряват реакциите, се наричат катализатори, и самият феномен на такова ускоряване на реакцията - катализа.

Много реакции протичат много бавно или изобщо не протичат при липса на катализатори. Една от тези реакции е разлагането на водороден пероксид:

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

Ако се потопи в съд с воден разтворводороден пероксид парче твърд манганов диоксид, тогава ще започне бързо освобождаване на кислород. След отстраняване на мангановия диоксид реакцията практически спира. Чрез претегляне е лесно да се провери, че мангановият диоксид не се изразходва в този процес - той само катализира реакцията.

В зависимост от това дали еднакви или различни агрегатни състоянияима катализатор и реагенти, разграничете хомогенна и хетерогенна катализа.

При хомогенна катализа катализаторът може да ускори реакцията чрез образуване на междинни съединения чрез взаимодействие с един от изходните реагенти. Например:

При хетерогенната катализа химическата реакция обикновено протича на повърхността на катализатора:

Катализаторите са широко разпространени в природата. Почти всички трансформации на вещества в живите организми протичат с участието на органични катализатори - ензими.

Катализаторите се използват в химическото производство за ускоряване на определени процеси. В допълнение към тях се използват и вещества, които забавят химичните реакции, - инхибитори. С помощта на инхибитори, по-специално, те предпазват металите от корозия.

Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция

Увеличете скоростта	Намалете скоростта
Наличието на химически активни реагенти	Наличието на химически неактивни реагенти
Увеличаване на концентрацията на реагентите	Намаляване на концентрацията на реагентите
Увеличаване на повърхността на твърди и течни реагенти	Намаляване на повърхността на твърди и течни реагенти
Покачване на температурата	Температурен спад
Наличието на катализатор	Наличието на инхибитор

ЗАДАЧИ

1. Определете скоростта на химичната реакция. Напишете израз кинетичен закондействащи маси за следните реакции:

а) 2C (tv.) + O 2 (g.) \u003d 2CO (g.);

б) 2НI (ж.) \u003d Н 2 (ж.) + I 2 (ж.).

2. Какво определя скоростта на химичната реакция? Дайте математически израз за зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата.

3. Посочете как влияе на скоростта на реакцията (при постоянен обем):

а) увеличаване на концентрацията на реагентите;

б) смилане на твърд реагент;
в) понижаване на температурата;
г) въвеждане на катализатор;
д) намаляване на концентрацията на реагентите;
д) повишаване на температурата;
g) въвеждане на инхибитор;
з) намаляване на концентрацията на продуктите.

4. Изчислете скоростта на химична реакция

CO (g) + H 2 O (g) \u003d CO 2 (g) + H 2 (g)

в съд с вместимост 1 литър, ако след 1 min 30 s след началото количеството на водородното вещество е 0,32 mol, а след 2 min 10 s стане 0,44 mol. Как увеличаването на концентрацията на CO ще повлияе на скоростта на реакцията?

5. В резултат на една реакция за определен период от време се образуват 6,4 g йодоводород, а при друга реакция при същите условия - 6,4 g серен диоксид. Сравнете скоростите на тези реакции. Как ще се променят скоростите на тези реакции с повишаване на температурата?

6. Определете скоростта на реакцията

CO (g.) + Cl 2 (g.) \u003d COCl 2 (g.),

ако 20 s след началото на реакцията първоначалното количество въглероден оксид (II) намалява от 6 mol 3 пъти (обемът на реактора е 100 l). Как ще се промени скоростта на реакцията, ако се използва по-малко активен бром вместо хлор? Как ще се промени скоростта на реакция с въвеждането
а) катализатор б) инхибитор?

7. В който случай е реакцията

CaO (tv.) + CO 2 (g.) \u003d CaCO 3 (tv.)

работи по-бързо: когато използвате големи парчета или калциев оксид на прах? Изчисли:
а) количеството на веществото; б) масата на калциевия карбонат, образуван за 10 s, ако скоростта на реакцията е 0,1 mol/(l s), обемът на реактора е 1 литър.

8. Взаимодействието на проба от магнезий със солна киселина HCl ви позволява да получите 0,02 mol магнезиев хлорид 30 s след началото на реакцията. Определете колко време е необходимо, за да получите 0,06 mol магнезиев хлорид.

E) от 70 до 40 °C скоростта на реакцията намалява 8 пъти;
g) от 60 до 40 °C скоростта на реакцията намалява с 6,25 пъти;
з) от 40 до 10 °С, скоростта на реакцията намалява 27 пъти.

11. Собственикът на колата я боядиса нова боя, а след това установи, че според инструкциите трябва да съхне 3 часа при 105 ° C. Колко време ще изсъхне боята при 25 ° C, ако температурен коефициентреакцията на полимеризация в основата на този процес е: а) 2; б) 3; на 4?

ОТГОВОРИ НА ЗАДАЧИ

1. а) = kc(О 2); б) = kc(HI) 2 .

2. T+10 = T .

3. Скоростта на реакцията се увеличава в случаите a, b, d, f; намалява - c, e, g; не се променя -

4. 0,003 mol/(l s). С увеличаване на концентрацията на CO скоростта на реакцията се увеличава.

5. Скоростта на първата реакция е 2 пъти по-ниска.

6. 0,002 mol/(l s).

7. а) 1 mol; б) 100 гр.

9. Скоростите на реакциите e, g, h ще се увеличат 2 пъти; 4 пъти - а, б, д; 8 пъти - в, гр.

10. Температурен коефициент:

2 за реакции b, f; = 2,5 – c, g; = 3 – e, h; = 3,5 – a, d.

а) 768 часа (32 дни, т.е. повече от 1 месец);
б) 19 683 часа (820 дни, т.е. повече от 2 години);
в) 196 608 часа (8192 дни, т.е. 22 години).

Физикохимия: записки от лекции Березовчук А В

2. Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция

За хомогенни, хетерогенни реакции:

1) концентрация на реагиращи вещества;

2) температура;

3) катализатор;

4) инхибитор.

Само за разнородни:

1) скоростта на подаване на реагенти към интерфейса;

2) повърхностна площ.

Основният фактор - естеството на реагиращите вещества - естеството на връзката между атомите в молекулите на реагентите.

NO 2 - азотен оксид (IV) - лисича опашка, CO - въглероден оксид, въглероден оксид.

Ако се окисляват с кислород, тогава в първия случай реакцията ще протече незабавно, струва си да отворите запушалката на съда, във втория случай реакцията се удължава във времето.

Концентрацията на реагентите ще бъде обсъдена по-долу.

Синята опалесценция показва момента на утаяване на сярата, колкото по-висока е концентрацията, толкова по-висока е скоростта.

Ориз. десет

Колкото по-голяма е концентрацията на Na 2 S 2 O 3, толкова по-малко време отнема реакцията. На графиката (фиг. 10) е показано директно пропорционална зависимост. Количествената зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите се изразява чрез ММА (закона за масовото действие), който гласи: скоростта на химичната реакция е правопропорционална на произведението на концентрациите на реагентите.

Така, основен закон на кинетикатае експериментално установен закон: скоростта на реакцията е пропорционална на концентрацията на реагентите, пример: (т.е. за реакцията)

За тази реакция H 2 + J 2 = 2HJ - скоростта може да се изрази като промяна в концентрацията на всяко от веществата. Ако реакцията протича отляво надясно, тогава концентрацията на H 2 и J 2 ще намалее, концентрацията на HJ ще се увеличи в хода на реакцията. За моментна скоростреакциите могат да бъдат записани като:

квадратните скоби показват концентрация.

физически смисъл к–молекулите са в непрекъснато движение, сблъскват се, разпръскват се, удрят се в стените на съда. За да се осъществи химическата реакция на образуване на HJ, молекулите H 2 и J 2 трябва да се сблъскат. Броят на такива сблъсъци ще бъде толкова по-голям, колкото повече молекули H 2 и J 2 се съдържат в обема, т.е. толкова по-големи ще бъдат стойностите на [Н 2 ] и . Но молекулите се движат с различна скорост и общата кинетична енергиядве сблъскващи се молекули ще бъдат различни. Ако най-бързите молекули H 2 и J 2 се сблъскат, тяхната енергия може да бъде толкова висока, че молекулите да се разпаднат на йодни и водородни атоми, които се разлитат и след това взаимодействат с други молекули H 2 + J 2 ? 2H+2J, след това H + J 2 ? HJ + J. Ако енергията на сблъскващите се молекули е по-малка, но достатъчно висока, за да отслаби връзките H - H и J - J, ще настъпи реакцията на образуване на йодоводород:

За повечето сблъскващи се молекули енергията е по-малка от необходимата за отслабване на връзките в H 2 и J 2 . Такива молекули "тихо" се сблъскват и също така "тихо" се разпръскват, оставайки това, което са били, H 2 и J 2 . Така не всички, а само част от сблъсъците водят до химическа реакция. Коефициентът на пропорционалност (k) показва броя на ефективните сблъсъци, водещи до реакцията при концентрации [H 2 ] = = 1 mol. Стойност к–постоянна скорост. Как може скоростта да е постоянна? Да, скоростна униформа праволинейно движениенаречено постоянно векторно количество, равно на съотношението на преместването на тялото за всеки период от време към стойността на този интервал. Но молекулите се движат произволно, така че как скоростта може да бъде постоянна? Но постоянна скоростможе да бъде само при постоянна температура. С повишаването на температурата делът на бързите молекули, чиито сблъсъци водят до реакция, се увеличава, т.е. константата на скоростта се увеличава. Но нарастването на константата на скоростта не е неограничено. При определена температура енергията на молекулите ще стане толкова голяма, че почти всички сблъсъци на реагентите ще бъдат ефективни. Когато две бързи молекули се сблъскат, ще настъпи обратна реакция.

Ще дойде момент, когато скоростите на образуване на 2HJ от H 2 и J 2 и разлагане ще бъдат равни, но това вече е химично равновесие. Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите може да се проследи с помощта на традиционната реакция на взаимодействие на разтвор на натриев тиосулфат с разтвор на сярна киселина.

Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 \u003d Na 2 SO 4 + H 2 S 2 O 3, (1)

H 2 S 2 O 3 \u003d S? + H 2 O + SO 2?. (2)

Реакция (1) протича почти мигновено. Скоростта на реакцията (2) зависи при постоянна температура от концентрацията на реагента H 2 S 2 O 3 . Именно тази реакция наблюдавахме - в случая скоростта се измерва с времето от началото на изливането на разтворите до появата на опалесценция. В статията Л. М. Кузнецова описана е реакцията на взаимодействие на натриев тиосулфат със солна киселина. Тя пише, че когато разтворите се източват, се получава опалесценция (мътност). Но това твърдение на Л. М. Кузнецова е погрешно, тъй като опалесценцията и помътняването са различни неща. Опалесценция (от опал и лат есенция- наставка, означаваща слабо действие) - разсейване на светлината от мътни среди поради тяхната оптична нехомогенност. разсейване на светлината- отклонение на светлинните лъчи, разпространяващи се в средата във всички посоки от първоначалната посока. колоидни частициса в състояние да разпръскват светлина (ефект на Тиндал-Фарадей) - това обяснява опалесценцията, лекото помътняване на колоидния разтвор. При провеждането на този експеримент е необходимо да се вземе предвид синята опалесценция и след това коагулацията на колоидната суспензия на сярата. Същата плътност на суспензията се отбелязва чрез видимото изчезване на всякакъв модел (например решетка на дъното на чашата), наблюдаван отгоре през слоя разтвор. Времето се отчита с хронометър от момента на източване.

Разтвори Na 2 S 2 O 3 x 5H 2 O и H 2 SO 4.

Първият се приготвя чрез разтваряне на 7,5 g сол в 100 ml Н2О, което съответства на концентрация от 0,3 М. За да се приготви разтвор на H 2 SO 4 със същата концентрация, е необходимо да се измери 1,8 ml H 2 SO 4 (k), ? = = 1,84 g / cm 3 и го разтворете в 120 ml H 2 O. Изсипете приготвения разтвор на Na 2 S 2 O 3 в три чаши: в първата - 60 ml, във втората - 30 ml, в третата - 10 мл. Добавете 30 ml дестилирана Н2О към втората чаша и 50 ml към третата. Така и в трите чаши ще има 60 ml течност, но в първата концентрацията на сол условно е = 1, във втората - ½, а в третата - 1/6. След като разтворите се приготвят, изсипете 60 ml разтвор на H 2 SO 4 в първата чаша със солен разтвор и включете хронометъра и т.н. Като се има предвид, че скоростта на реакцията намалява с разреждането на разтвора на Na 2 S 2 O 3, това може да се определи като стойност, обратно пропорционална на времето v=един/? и изградете графика, като нанесете концентрацията върху абсцисата и скоростта на реакцията върху ординатата. От това заключение - скоростта на реакцията зависи от концентрацията на веществата. Получените данни са изброени в таблица 3. Този експеримент може да се извърши с помощта на бюрети, но това изисква изпълнителя страхотна практиказащото графикът е грешен.

Таблица 3

Скорост и време за реакция

Законът на Гулдберг-Вааге е потвърден – професорът по химия Гулдерг и младият учен Вааге).

Обмисли следващ фактор– температура.

С повишаването на температурата скоростта на повечето химични реакции се увеличава. Тази зависимост се описва от правилото на van't Hoff: "Когато температурата се повишава на всеки 10 ° C, скоростта на химичните реакции се увеличава 2-4 пъти."

където ? – температурен коефициент, показващ колко пъти се увеличава скоростта на реакцията с повишаване на температурата с 10 ° C;

v 1 - скорост на реакцията при температура t 1;

v 2 -скорост на реакция при температура t2.

Например, реакцията при 50 °C протича за две минути, колко време ще завърши процесът при 70 °C, ако температурният коефициент ? = 2?

t 1 = 120 s = 2 минути; t 1 = 50 °С; t 2 = 70 °C.

Дори леко повишаване на температурата предизвиква рязко увеличаване на скоростта на реакцията на активните молекулярни сблъсъци. Според теорията на активирането в процеса участват само тези молекули, чиято енергия е с определено количество по-голяма от средната енергия на молекулите. Тази излишна енергия е енергията на активиране. Физическото му значение е енергията, необходима за активния сблъсък на молекулите (пренареждане на орбиталите). Броят на активните частици, а оттам и скоростта на реакцията, нараства с температурата по експоненциален закон, съгласно уравнението на Арениус, което отразява зависимостта на константата на скоростта от температурата

където НО -коефициент на пропорционалност на Арениус;

к–константа на Болцман;

E A -активираща енергия;

Р-газова константа;

T-температура.

Катализаторът е вещество, което ускорява скоростта на реакцията, но само по себе си не се изразходва.

Катализа- феноменът на промяна в скоростта на реакцията в присъствието на катализатор. Разграничете хомогенна и хетерогенна катализа. Хомогенна- ако реагентите и катализаторът са в едно и също агрегатно състояние. Разнородни– ако реагентите и катализаторът са в различни агрегатни състояния. За катализата вижте отделно (по-нататък).

инхибиторВещество, което забавя скоростта на реакцията.

Следващият фактор е повърхността. Колкото по-голяма е повърхността на реагента, толкова по-голяма е скоростта. Помислете например за влиянието на степента на дисперсност върху скоростта на реакцията.

CaCO 3 - мрамор. Спускаме облицования мрамор в солна киселина HCl, изчакайте пет минути, ще се разтвори напълно.

Мрамор на прах - ще направим същата процедура с него, той се разтвори за тридесет секунди.

Уравнението и за двата процеса е едно и също.

CaCO 3 (tv) + HCl (g) \u003d CaCl 2 (tv) + H 2 O (l) + CO 2 (g) ?.

Така че, когато добавяте мрамор на прах, времето е по-малко, отколкото когато добавяте мрамор за плочки, със същата маса.

С увеличаване на интерфейса между фазите скоростта на хетерогенните реакции се увеличава.

От книгата Физическа химия: бележки от лекции авторът Березовчук А В

2. Уравнение на изотермата на химичната реакция Ако реакцията протича обратимо, тогава?G= 0. 0 и можете да изчислите промяната?G. където? - реакционен ход - стойност, която показва колко мола са се променили по време на реакцията. I cn - характеризира

От книгата най-новата книгафакти. Том 3 [Физика, химия и технологии. История и археология. Разни] автор Кондрашов Анатолий Павлович

3. Уравненията на изохора, изобара на химическа реакция Зависимост на К от температурата Уравнение на изобара: Уравнение на изохора: Те съдят за посоката на потока

От книгата Неутрино - призрачната частица на атома автор Азимов Айзък

1. Концепцията за химичната кинетика Кинетиката е наука за скоростта на химичните реакции.Скоростта на химичната реакция е броят на елементарните актове на химично взаимодействие, протичащи за единица време на единица обем (хомогенна) или на единица повърхност

От книгата Атомна енергияза военни цели автор Смит Хенри Деволф

8. Фактори, влияещи върху водородното пренапрежение. Кислородно пренапрежение Фактори, влияещи върху ?H2:1) ?ток (плътност на тока). Зависимостта от плътността на тока се описва от уравнението на Tafel; 2) естеството на катодния материал е серия във възходящ ред?,? - пренапрежение. В уравнението на Tafel

От книгата Курс по история на физиката автор Степанович Кудрявцев Павел

От книгата Какво е теорията на относителността автор Ландау Лев Давидович

Ядрени реакциии електрически зарядКогато през 90-те години физиците започнаха да разбират по-ясно структурата на атома, те откриха, че поне някои от неговите части носят електрически заряд. Например запълването с електрони външни зониатом,

От книгата Физика на всяка стъпка автор Перелман Яков Исидорович

ЯДРЕНИ РЕАКЦИИ МЕТОДИ НА ЯДРЕНО БОМБАРДИРАНЕ1.40. Кокрофт и Уолтън произвеждат протони с достатъчно висока енергия чрез йонизиране на водороден газ и след това ускоряване на йоните с инсталация за високо напрежение с трансформатор и токоизправител. Подобен метод може

От книгата 50 години съветска физика автор Лешковцев Владимир Алексеевич

ПРОБЛЕМ С ВЕРИЖНАТА РЕАКЦИЯ 2.3. Принцип на действие атомни бомбиили електроцентралаизползването на делене на уран е доста просто. Ако един неутрон причини делене, което води до освобождаване на няколко нови неутрона, тогава броят на деленията може изключително бързо

От книгата Новият ум на краля [За компютрите, мисленето и законите на физиката] автор Пенроуз Роджър

ПРОДУКТИ НА РЕАКЦИЯТА И ПРОБЛЕМЪТ ЗА РАЗДЕЛЯНЕТО 8.16. В завода в Ханфорд процесът на производство на плутоний е разделен на две основни части: действителното му производство в котела и отделянето му от урановите блокове, в които се образува. Да преминем към втората част от процеса.

От книгата На кого падна ябълката автор Кеселман Владимир Самуилович

ФАКТОРИ, ВЛИЯЩИ НА ИЗОТОПНОТО РАЗДЕЛЯНЕ 9.2. По дефиниция изотопите на даден елемент се различават по своите маси, но не химични свойства. По-точно, въпреки че масите на ядрата на изотопите и тяхната структура са различни, зарядите на ядрата са еднакви и следователно външният електронни обвивки

От книгата на автора

Внедряване верижна реакцияядрен делене Сега въпросът за верижната реакция на делене и възможността за получаване на разрушителната експлозивна енергия на деленето възникна с цялата си сила. Този въпрос беше фатално преплетен с разразилата се световна война Нацистка Германия 1 септември

От книгата на автора

И скоростта е относителна! От принципа на относителността на движението следва какво да говорим за праволинейно и равномерно движениена тяло с определена скорост, без да се уточнява коя от лабораториите в покой се измерва скоростта, няма толкова смисъл, колкото да се каже

От книгата на автора

Скоростта на звука Гледали ли сте някога дървосекач да сече дърво от разстояние? Или може би сте гледали дърводелец, работещ в далечината, забиващ пирони? Може би сте забелязали много странно нещо: ударът не се дава, когато брадвата удари дърво или

От книгата на автора

КОНТРОЛИРАНИ ТЕРМОЯДРЕНИ РЕАКЦИИ По време на експлозии възникват неконтролирани термоядрени реакции водородни бомби. Те водят до освобождаване на огромно количество ядрена енергия, придружено от изключително разрушителна експлозия. Сега задачата на учените е да намерят начини

От книгата на автора

В лабиринтите на деленето През 1938 г. немските учени Ото Хан и Фриц Щрасман (1902–1980) правят удивително откритие. Те откриха, че бомбардирането на уран с неутрони понякога произвежда ядра около два пъти по-леки от първоначалното ураново ядро. По-нататък

Химични методи

Физически методи

Методи за измерване на скоростта на реакцията

В примера по-горе скоростта на реакцията между калциев карбонат и киселина беше измерена чрез изследване на обема отделен газ като функция на времето. Експериментални данни за скоростта на реакцията могат да бъдат получени чрез измерване на други величини.

Ако реакцията се промени обща сумагазообразни вещества, тогава неговият поток може да се наблюдава чрез измерване на налягането на газа при постоянен обем. В случаите, когато един от изходните материали или един от реакционните продукти е оцветен, протичането на реакцията може да се наблюдава чрез наблюдение на промяната в цвета на разтвора. други оптичен методе измерването на въртенето на равнината на поляризация на светлината (ако изходните вещества и продуктите на реакцията имат различни ротационни способности).

Някои реакции са придружени от промяна в броя на йоните в разтвора. В такива случаи скоростта на реакцията може да се изследва чрез измерване електропроводимострешение. AT следваща главанякой друг електрохимични методи, който може да се използва за измерване на скоростта на реакцията.

Прогресът на реакцията може да се наблюдава чрез измерване на концентрацията на един от участниците в реакцията във времето с помощта на различни методи. химичен анализ. Реакцията се провежда в термостатиран съд. На определени интервали се взема проба от разтвора (или газа) от съда и се определя концентрацията на един от компонентите. За получаване на надеждни резултати е важно да не настъпи никаква реакция в пробата, взета за анализ. Това се постига чрез химическо свързване на един от реагентите, бързо охлаждане или разреждане на разтвора.

Експериментални изследванияпоказват, че скоростта на реакцията зависи от няколко фактора. Нека първо разгледаме влиянието на тези фактори на качествено ниво.

1.Естеството на реагентите.От лабораторната практика знаем, че неутрализацията на киселина с основа

H + + OH - ® H 2 O

взаимодействие на соли с образуването на трудно разтворимо съединение

Ag + + Cl – ® AgCl

и други реакции в електролитни разтвори протичат много бързо. Времето, необходимо за завършване на такива реакции, се измерва в милисекунди и дори микросекунди. Това е съвсем разбираемо, т.к същността на такива реакции е приближаването и комбинирането на заредени частици с заряди с противоположен знак.

За разлика йонни реакциивзаимодействие между ковалентно свързани молекулиобикновено протича много по-бавно. Наистина, в хода на реакцията между такива частици, връзките в молекулите на изходните вещества трябва да се разкъсат. За да направят това, сблъскващите се молекули трябва да имат определено количество енергия. Освен това, ако молекулите са достатъчно сложни, за да възникне реакция между тях, те трябва да са ориентирани в пространството по определен начин.

2. Концентрация на реагента. Скоростта на химична реакция, с др равни условия, зависи от броя на сблъсъците на реагиращите частици за единица време. Вероятността от сблъсъци зависи от броя на частиците в единица обем, т.е. от концентрацията. Следователно скоростта на реакцията се увеличава с увеличаване на концентрацията.

3. Физическо състояниевещества. В хомогенните системи скоростта на реакцията зависи от броя на сблъсъците на частиците обем на разтвора(или газ). В хетерогенни системи химично взаимодействиепродължава на интерфейса. Увеличаването на повърхността на твърдото вещество по време на смилането му улеснява достъпа на реагиращите частици до частиците на твърдото вещество, което води до значително ускоряване на реакцията.

4. температураоказва значително влияние върху скоростта на различни химически и биологични процеси. С повишаване на температурата кинетичната енергия на частиците се увеличава и следователно се увеличава частта от частици, чиято енергия е достатъчна за химично взаимодействие.

5. Стеричен факторхарактеризира необходимостта от взаимна ориентация на реагиращите частици. Колкото по-сложни са молекулите, толкова по-малка е вероятността за правилната им ориентация, толкова по-ниска е ефективността на сблъсъците.

6. Наличие на катализатори.Катализаторите са вещества, които променят скоростта на химичната реакция.Въведени в реакционната система в малки количества и оставайки непроменени след реакцията, те са способни изключително да променят скоростта на процеса.

Основните фактори, от които зависи скоростта на реакцията, ще бъдат разгледани по-подробно по-долу.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Химична кинетика- изучаване на скоростите и механизмите на химичните реакции.

Изследването на скоростите на реакциите, получаването на данни за факторите, влияещи върху скоростта на химичната реакция, както и изследването на механизмите на химичните реакции се извършва експериментално.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Скоростта на химична реакция- промяна на концентрацията на един от реагентите или реакционните продукти за единица време при постоянен обем на системата.

Скоростта на хомогенните и хетерогенни реакциисе определят по различен начин.

Определението за мярка за скоростта на химическа реакция може да бъде написано като математическа форма. Нека - скоростта на химична реакция в хомогенна система, n B - броят молове на всяко от веществата, получени в резултат на реакцията, V - обемът на системата, - време. След това в лимита:

Това уравнение може да бъде опростено - отношението на количеството вещество към обема е моларна концентрациявещества n B /V = c B , откъдето dn B / V = dc B и накрая:

На практика концентрациите на едно или повече вещества се измерват на определени интервали от време. Концентрациите на изходните вещества намаляват с времето, докато концентрациите на продуктите нарастват (фиг. 1).

Ориз. 1. Промяна в концентрацията на изходното вещество (а) и реакционния продукт (б) с времето

Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция

Факторите, които влияят на скоростта на химичната реакция, са: природата на реагентите, техните концентрации, температура, наличие на катализатори в системата, налягане и обем (в газовата фаза).

Влиянието на концентрацията върху скоростта на химичната реакция се свързва с основния закон на химичната кинетика - закона за масовото действие (LMA): скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите, повишени до мощност на техните стехиометрични коефициенти. PDM не отчита концентрацията на веществата в твърдата фаза в хетерогенните системи.

За реакцията mA + nB = pC + qD, математическият израз на MAP ще бъде написан:

K × C A m × C B n

K × [A] m × [B] n,

където k е константата на скоростта на химическа реакция, която е скоростта на химическа реакция при концентрация на реагентите от 1 mol/l. За разлика от скоростта на химичната реакция, k не зависи от концентрацията на реагентите. Колкото по-високо е, толкова по-бързо протича реакцията.

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата се определя от правилото на Ван Хоф. Правилото на Вант Хоф: с всеки десет градуса повишаване на температурата скоростта на повечето химични реакции се увеличава с около 2 до 4 пъти. Математически израз:

(T 2) \u003d (T 1) × (T2-T1) / 10,

където е температурният коефициент на Van't Hoff, показващ колко пъти се увеличава скоростта на реакцията с повишаване на температурата с 10 o C.

Молекулярност и ред на реакцията

Молекулярността на реакцията се определя от минималния брой молекули, които едновременно взаимодействат (участват в елементарния акт). Разграничаване:

- мономолекулни реакции (реакциите на разлагане могат да служат като пример)

N 2 O 5 \u003d 2NO 2 + 1 / 2O 2

K × C, -dC/dt = kC

Въпреки това, не всички реакции, които се подчиняват на това уравнение, са мономолекулни.

- бимолекулярни

CH 3 COOH + C 2 H 5 OH \u003d CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O

K × C 1 × C 2, -dC/dt = k × C 1 × C 2

- тримолекулярни (много рядко).

Молекулярността на реакцията се определя от нейния истински механизъм. Невъзможно е да се определи неговата молекулярност чрез написване на уравнението на реакцията.

Редът на реакцията се определя от формата кинетично уравнениереакции. Той е равно на суматапоказатели за степени на концентрация в това уравнение. Например:

CaCO 3 \u003d CaO + CO 2

K × C 1 2 × C 2 - трети ред

Редът на реакцията може да бъде дробен. В този случай се определя експериментално. Ако реакцията протича в един етап, тогава редът на реакцията и нейната молекулярност съвпадат, ако в няколко етапа, тогава редът се определя от най-бавния етап и е равен на молекулярността на тази реакция.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение

Реакцията протича съгласно уравнението 2A + B = 4C. Първоначалната концентрация на вещество А е 0,15 mol/l, а след 20 секунди е 0,12 mol/l. Изчислете средната скорост на реакция.

Решение

Нека напишем формула за изчисляване Средната скоростхимическа реакция: