Системи. Але дана величинане відображає справжню можливість протікання реакції, її швидкістьта механізм.

Для повноцінного уявлення хімічної реакції, треба знати у тому, які існують тимчасові закономірності під час її здійсненні, тобто. швидкість хімічної реакціїта її детальний механізм. Швидкість та механізм реакції вивчає хімічна кінетика- Наука про хімічний процес.

З точки зору хімічної кінетики, реакції можна класифікувати на прості та складні.

Прості реакції– процеси, які відбуваються без утворення проміжних сполук. За кількістю частинок, що беруть у ній участь, вони поділяються на мономолекулярні, бімолекулярні, тримолекулярні.Зіткнення більшого ніж 3 числа частинок малоймовірне, тому тримолекулярні реакції досить рідкісні, а чотиримолекулярні - невідомі. Складні реакції – процеси, які з кількох елементарних реакцій.

Будь-який процес протікає з властивою йому швидкістю, яку можна визначити за змінами, що відбуваються за певний відрізок часу. Середню швидкість хімічної реакціївиражають зміною кількості речовини nвитраченої чи отриманої речовини в одиниці об'єму V за одиницю часу t.

υ = ± dn/ dt· V

Якщо речовина витрачається, то ставимо знак "-", якщо накопичується - "+"

При постійному обсязі:

υ = ± dC/ dt,

Одиниця виміру швидкості реакції моль/л·с

В цілому, υ — величина постійна і не залежить від того, за якою речовиною, що бере участь у реакції, ми стежимо.

Залежність концентрації реагенту або продукту від часу протікання реакції подають у вигляді кінетичної кривої, яка має вигляд:

Обчислювати з експериментальних даних зручніше, якщо зазначені вище вирази перетворити на наступний вираз:

Закон чинних мас. Порядок та константа швидкості реакції

Одне з формулювань закону діючих мас звучить так: Швидкість елементарної гомогенної хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагентів.

Якщо досліджуваний процес подати у вигляді:

а А + b В = продукти

то швидкість хімічної реакції можна виразити кінетичним рівнянням:

υ = k · [A] a · [B] bабо

υ = k·C a A ·C b B

Тут [ A] та [B] (C A іC B)- концентрації реагентів,

а іb– стехіометричні коефіцієнти простої реакції,

k- Константа швидкості реакції.

Хімічний зміст величини k- це швидкість реакціїпри поодиноких концентраціях. Тобто якщо концентрації речовин А і В дорівнюють 1, то υ = k.

Треба враховувати, що у складних хімічних процесах коефіцієнти а іbне збігаються зі стехіометричними.

Закон діючих мас виконується за дотримання низки умов:

• Реакція активується теплово, тобто. енергією теплового руху.
• Концентрація реагентів розподілена рівномірно.
• Властивості та умови середовища під час процесу не змінюються.
• Властивості середовища не повинні впливати на k.

До складних процесів закон дії мас застосувати не можна. Це можна пояснити тим, що складний процес складається з декількох елементарних стадій, і його швидкість визначатиметься не сумарною швидкістю всіх стадій, лише однією найповільнішою стадією, яка називається лімітує.

Кожна реакція має свій порядок. Визначають приватний (парціальний) порядокпо реагенту та загальний (повний) порядок. Наприклад, у вираженні швидкості хімічної реакції для процесу

а А + b В = продукти

υ = k·[ A] a·[ B] b

a- Порядок по реагенту А

b — порядок по реагенту У

Загальний порядок a + b = n

Для простих процесівпорядок реакції вказує на кількість частинок, що реагують (збігається зі стехіометричними коефіцієнтами) і приймає цілочисельні значення. Для складних процесівпорядок реакції не збігається зі стехіометричними коефіцієнтами і може бути будь-яким.

Визначимо чинники, що впливають швидкість хімічної реакції υ.

1. Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин

   визначається законом діючих мас: υ = k[ A] a·[ B] b

Очевидно, що зі збільшенням концентрацій реагуючих речовин υ збільшується, т.к. збільшується кількість зіткнень між речовинами, що беруть участь у хімічному процесі. Причому важливо враховувати порядок реакції: якщо це n = 1щодо деякого реагенту, то її швидкість прямо пропорційна концентрації цієї речовини. Якщо за якимось реагентом n = 2, то подвоєння його концентрації призведе до зростання швидкості реакції в 22 = 4 рази, а збільшення концентрації в 3 рази прискорить реакцію в 32 = 9 разів.

Швидкість хімічної реакції

Тема «Швидкість хімічної реакції», мабуть, найбільш складна та суперечлива у шкільній програмі. Це з складністю самої хімічної кінетики – однієї з розділів фізичної хімії. Неоднозначно вже визначення поняття «швидкість хімічної реакції» (див., наприклад, статтю Л.С.Гузея у газеті «Хімія», 2001, № 28,
с. 12). Ще більше проблемвиникає при спробі застосувати закон мас для швидкості реакції до будь-яких хімічним системам, адже коло об'єктів, для яких можливий кількісний опис кінетичних процесів у рамках шкільної програмидуже вузький. Хотілося б особливо відзначити некоректність використання закону мас для швидкості хімічної реакції при хімічній рівновазі.
Водночас взагалі відмовитися від розгляду цієї теми у школі було б неправильно. Уявлення про швидкість хімічної реакції дуже важливі щодо багатьох природних і технологічних процесів, без них неможливо говорити про каталіз і каталізаторів, у тому числі і про ферменти. Хоча при обговоренні перетворень речовин використовуються в основному якісні уявлення про швидкість хімічної реакції, введення найпростіших кількісних співвідношень все ж таки бажано, особливо для елементарних реакцій.
У статті досить докладно розглядаються питання хімічної кінетики, які можна обговорювати на шкільних урокаххімії. Виняток із курсу шкільної хіміїспірних та суперечливих моментів цієї теми особливо важливо для тих учнів, хто збирається продовжити своє хімічна освітау ВНЗ. Адже отримані у школі знання нерідко вступають у суперечність із науковою реальністю.

Хімічні реакції можуть відрізнятися за часом протікання. Суміш водню та кисню при кімнатній температурі може тривалий час залишатися практично без змін, проте при ударі або підпалюванні станеться вибух. Залізна пластина повільно іржавіє, а шматочок білого фосфору самозаймається на повітрі. Важливо знати, наскільки швидко протікає та чи інша реакція, щоб мати можливість контролювати її перебіг.

Основні поняття

Кількісної характеристикою того, Наскільки швидко протікає дана реакція, є швидкість хімічної реакції, тобто швидкість витрачання реагентів або швидкість появи продуктів. При цьому байдуже, про яку з речовини, що беруть участь у реакції, йдеться, оскільки всі вони пов'язані між собою через рівняння реакції. По зміні кількості однієї з речовин можна будувати висновки про відповідні зміни кількостей інших.

Швидкістю хімічної реакції () називають зміну кількості речовини реагенту або продукту () за одиницю часу () в одиниці обсягу (V):

= /(V ).

Швидкість реакції в даному випадкузазвичай виявляється у моль/(л з).

Наведений вираз відноситься до гомогенних хімічних реакцій, що протікають в однорідному середовищі, наприклад, між газами або в розчині:

2SO 2 + O 2 = 2SO 3 ,

BаСl 2 + Н 2 SO 4 = SO 4 + 2НСl.

Гетерогенні хімічні реакції йдуть на поверхні дотику твердої речовинита газу, твердої речовини та рідини тощо. До гетерогенних реакцій відносяться, наприклад, реакції металів із кислотами:

Fе + 2НСl = FeСl 2 + Н 2 .

У е тому випадку швидкістю реакції називають зміну кількості речовини реагенту або продукту () за одиницю часу() на одиниці поверхні (S):

= /(S ).

Швидкість гетерогенної реакції виявляється у моль/(м 2 з).

Щоб керувати хімічними реакціями, важливо як вміти визначати їх швидкості, а й з'ясувати, які умови на них впливають. Розділ хімії, що вивчає швидкість хімічних реакцій та вплив на неї різних факторів, називається хімічною кінетикою.

Частота зіткнень реагуючих частинок

Найважливіший фактор, Який визначає швидкість хімічної реакції, – концентрація.

При підвищенні концентрації речовин, що реагують, швидкість реакції, як правило, зростає. Щоб вступити в реакцію, дві хімічні частинки повинні зблизитися, тому швидкість реакції залежить від кількості зіткнень між ними. Збільшення числа частинок даному обсязіпризводить до більш частих зіткнень і зростання швидкості реакції.

Для гомогенних реакцій підвищення концентрації однієї чи кількох реагуючих речовин призведе до збільшення швидкості реакції. При зниженні концентрації спостерігається протилежний ефект. Концентрація речовин у розчині може бути змінена шляхом додавання або видалення сфери реакції реагуючих речовин або розчинника. У газах концентрація однієї з речовин може бути збільшена шляхом введення додаткової кількості цієї речовини реакційну суміш. Концентрації всіх газоподібних речовинможна збільшити одночасно, зменшуючи обсяг, який займає сумішшю. У цьому швидкість реакції зросте. Збільшення обсягу призводить до зворотного результату.

Швидкість гетерогенних реакцій залежить від площі поверхні зіткнення речовин, тобто. від ступеня подрібнення речовин, повноти змішування реагентів, а також стану кристалічних структур твердих тіл. Будь-які порушення в кристалічній структурі викликають збільшення реакційної здатностітвердих тіл, т.к. для руйнування міцної кристалічної структурипотрібна додаткова енергія.

Розглянемо горіння деревини. Ціле поліно горить у повітрі порівняно повільно. Якщо збільшити поверхню зіткнення дерева з повітрям, розколів поліно на тріски, швидкість горіння збільшиться. Водночас деревина горить у чистому кисні значно швидше, ніж на повітрі, яке містить лише близько 20% кисню.

Для протікання хімічної реакції має відбутися зіткнення частинок атомів, молекул або іонів. Внаслідок зіткнень відбувається перегрупування атомів і виникають нові хімічні зв'язки, що призводить до утворення нових речовин. Імовірність зіткнення двох частинок досить висока, ймовірність одночасного зіткнення трьох частинок значно менше. Одночасне зіткнення чотирьох часток надзвичайно малоймовірне. Тому більшість реакцій протікає у кілька стадій, кожної з яких відбувається взаємодія трохи більше трьох частинок.

Реакція окиснення бромоводню протікає з помітною швидкістю при 400–600 °С:

4НВr + O2 = 2Н2О + 2Вr2.

Відповідно до рівняння реакції одночасно має зіткнутися п'ять молекул. Однак ймовірність такої події практично дорівнює нулю. Більше того, експериментальні дослідження показали, що підвищення концентрації - або кисню, або бромоводню - збільшує швидкість реакції в одне й те саме число разів. І це при тому, що на кожну молекулу кисню витрачається чотири молекули бромоводню.

Детальний розгляд даного процесу показує, що він протікає на кілька стадій:

1) НBr + О 2 = НООВr (повільна реакція);

2) НООВr + НВr = 2НОВr (швидка реакція);

3) НОВr + НВr = Н 2 Про + Вr 2 (швидка реакція).

Наведені реакції, так звані елементарні реакції, відображають механізм реакціїокиснення бромоводню киснем. Важливо, що у кожної з проміжних реакцій бере участь лише з дві молекули. Додавання перших двох рівнянь та подвоєного третього дає сумарне рівнянняреакції. Загальна швидкість реакції визначається найбільш повільною проміжною реакцією, в якій взаємодіють одна молекула бромоводню і одна молекула кисню.

Швидкість елементарних реакцій прямо пропорційна добутку молярних концентрацій з (з- Це кількість речовини в одиниці об'єму, з = /V) реагентів, взятих у ступенях, рівних їх стехіометричним коефіцієнтам ( закон чинних масшвидкості хімічної реакції). Це справедливо лише для рівнянь реакцій, що відображають механізми реальних хімічних процесівколи стехіометричні коефіцієнти перед формулами реагентів відповідають числу взаємодіючих частинок.

За кількістю взаємодіючих у реакції молекул розрізняють реакції мономолекулярні, бимолекулярні та тримолекулярні. Наприклад, дисоціація молекулярного йоду на атоми: I 2 = 2I – мономолекулярна реакція.

Взаємодія йоду з воднем: I 2 + Н 2 = 2HI - Бімолекулярна реакція. Закон мас для хімічних реакцій різної молекулярності записується по-різному.

Мономолекулярні реакції:

А = В + С,

= kc A ,

де k- Константа швидкості реакції.

Бімолекулярні реакції:

= kc A cСт.

Тримолекулярні реакції:

= kc 2 A cСт.

Енергія активації

Зіткнення хімічних частинокпризводить до хімічної взаємодії лише в тому випадку, якщо частинки, що зіштовхуються, мають енергію, що перевищує деяку певну величину. Розглянемо взаємодію газоподібних речовин, що складаються з молекул А 2 та В 2:

А2 + В2 = 2АВ.

У ході хімічної реакції відбувається перегрупування атомів, що супроводжується розривом. хімічних зв'язківу вихідних речовинах та утворенням зв'язків у продуктах реакції. При зіткненні молекул, що реагують, спочатку утворюється так званий активований комплекс, У якому відбувається перерозподіл електронної щільності, і лише потім виходить кінцевий продукт реакції:

Енергію, необхідну для переходу речовин у стан активованого комплексу, називають енергією активації.

Активність хімічних речовинпроявляється в низькій енергії активації реакцій за їх участю. Чим нижча енергія активації, тим вища швидкість реакції. Наприклад, у реакціях між катіонами та аніонами енергія активації дуже мала, тому такі реакції протікають майже миттєво. Якщо енергія активації велика, то дуже мала частина зіткнень призводить до утворення нових речовин. Так, швидкість реакції між воднем і киснем за кімнатної температури практично дорівнює нулю.

Отже, на швидкість реакції впливає природа реагуючих речовин. Розглянемо для прикладу реакції металів із кислотами. Якщо опустити в пробірки з розведеною сірчаною кислотою однакові шматочки міді, цинку, магнію та заліза, можна побачити, що інтенсивність виділення бульбашок газоподібного водню, що характеризує швидкість протікання реакції, для цих металів суттєво різниться. У пробірці з магнієм спостерігається бурхливе виділення водню, у пробірці з цинком бульбашки газу виділяються дещо спокійніше. Ще повільніше протікає реакція у пробірці із залізом (рис.). Мідь взагалі не вступає в реакцію з розведеною сірчаною кислотою. Таким чином, швидкість реакції залежить від активності металу.

При заміні сірчаної кислоти (сильної кислоти) на оцтову ( слабку кислоту) швидкість реакції у всіх випадках суттєво уповільнюється. Можна дійти невтішного висновку, що у швидкість реакції металу з кислотою впливає природа обох реагентів – як металу, і кислоти.

Підвищення температурипризводить до підвищення кінетичної енергії хімічних частинок, тобто. збільшує число частинок, що мають енергію вище за енергію активації. При підвищенні температури кількість зіткнень частинок також збільшується, що певною мірою збільшує швидкість реакції. Однак підвищення ефективності зіткнень за рахунок збільшення кінетичної енергії більш впливає на швидкість реакції, ніж збільшення числа зіткнень.

При підвищенні температури на десять градусів швидкість збільшується в число разів, що дорівнює температурному коефіцієнту швидкості:

= T+10 /T .

При підвищенні температури від Tдо T"
відношення швидкостей реакцій T"і Tодно
температурному коефіцієнту швидкості в ступені ( T" – T)/10:

T" /T = (T"–T)/10.

Для багатьох гомогенних реакцій температурний коефіцієнт швидкості дорівнює 24 (правило Вант-Гоффа). Залежність швидкості реакції від температури можна простежити на прикладі взаємодії оксиду міді(II) з розведеною сірчаною кислотою. За кімнатної температури реакція протікає дуже повільно. При нагріванні реакційна суміш швидко забарвлюється у блакитний колір за рахунок утворення сульфату міді(II):

СuО + Н 2 SО 4 = СuSO 4 + Н 2 О.

Каталізатори та інгібітори

Багато реакцій можна прискорити або сповільнити шляхом запровадження деяких речовин. Речовини, що додаються, не беруть участі в реакції і не витрачаються в ході її протікання, але істотно впливають на швидкість реакції. Ці речовини змінюють механізм реакції (у тому числі склад активованого комплексу) та знижують енергію активації, що забезпечує прискорення хімічних реакцій. Речовини – прискорювачі реакцій називають каталізаторамиа саме явище такого прискорення реакції – каталізом.

Багато реакцій без каталізаторів протікають дуже повільно або не протікають зовсім. Однією з таких реакцій є розкладання пероксиду водню:

2Н2О2 = 2Н2О+О2.

Якщо опустити в посудину з водним розчиномпероксиду водню шматочок твердого діоксиду марганцю, то почнеться бурхливе виділення кисню. Після видалення діоксиду марганцю реакція практично припиняється. Шляхом зважування неважко переконатися, що діоксид марганцю у процесі не витрачається – він лише каталізує реакцію.

Залежно від того, в однакових чи різних агрегатних станахзнаходиться каталізатор та реагуючі речовини, розрізняють гомогенний та гетерогенний каталіз.

При гомогенному каталізі каталізатор може прискорити реакцію шляхом утворення проміжних речовин завдяки взаємодії з одним з вихідних реагентів. Наприклад:

При гетерогенному каталізі хімічна реакція зазвичай протікає поверхні каталізатора:

Каталізатори поширені у природі. Практично всі перетворення речовин живих організмах протікають з участю органічних каталізаторів – ферментів.

Каталізатори використовують у хімічному виробництві для прискорення тих чи інших процесів. Крім них застосовують також речовини, що уповільнюють хімічні реакції, – інгібітори. За допомогою інгібіторів, зокрема, захищають метали від корозії.

Чинники, що впливають на швидкість хімічної реакції

Збільшують швидкість	Зменшують швидкість
Наявність хімічно активних реагентів	Наявність хімічно неактивних реагентів
Підвищення концентрації реагентів	Зниження концентрації реагентів
Збільшення поверхні твердих та рідких реагентів	Зменшення поверхні твердих та рідких реагентів
Підвищення температури	Зниження температури
Присутність каталізатора	Присутність інгібітору

ЗАВДАННЯ

1. Дайте визначення швидкості хімічної реакції. Напишіть вираз кінетичного законудіючих мас для наступних реакцій:

а) 2С (тв.) + Про 2 (р.) = 2СО (р.);

б) 2НI (р.) = Н 2 (р.) + I 2 (р.).

2. Від чого залежить швидкість хімічної реакції? Наведіть математичний вираз залежності швидкості хімічної реакції від температури.

3. Вкажіть, як впливає швидкість реакції (при постійному обсязі):

а) збільшення концентрації реагентів;

б) подрібнення твердого реагенту;
в) зниження температури;
г) запровадження каталізатора;
д) зменшення концентрації реагентів;
е) підвищення температури;
ж) введення інгібітору;
з) зменшення концентрації товарів.

4. Розрахуйте швидкість хімічної реакції

СО (р.) + Н 2 О (р.) = СО 2 (р.) + Н 2 (р.)

у посудині ємністю 1 л, якщо через 1 хв 30 с після її початку кількість речовини водню було 0,32 моль, а через 2 хв 10 с стало 0,44 моль. Як вплине на швидкість реакції збільшення концентрації?

5. В результаті однієї реакції за певний проміжок часу утворилося 6,4 г йодоводороду, а в іншій реакції в тих самих умовах – 6,4 г сірки діоксиду. Порівняйте швидкості цих реакцій. Як зміниться швидкості цих реакцій у разі підвищення температури?

6. Визначте швидкість реакції

СО (р.) + Сl 2 (р.) = СОCl 2 (р.),

якщо через 20 с після початку реакції вихідна кількість речовини оксиду вуглецю(II) зменшилася з 6 моль у 3 рази (об'єм реактора дорівнює 100 л). Як зміниться швидкість реакції, якщо замість хлору використати менш активний бром? Як зміниться швидкість реакції при введенні
а) каталізатора; б) інгібітору?

7. У якому разі реакція

СaО (тв.) + СО 2 (р.) = СaCO 3 (тв.)

протікає швидше: при використанні великих шматків чи порошку оксиду кальцію? Розрахуйте:
а) кількість речовини; б) масу карбонату кальцію, що утворився за 10 с, якщо швидкість реакції становить 0,1 моль/(лс), об'єм реактора дорівнює 1 л.

8. Взаємодія зразка магнію з хлороводневою кислотою НСl дозволяє отримати 0,02 моль хлориду магнію через 30 с після початку реакції. Визначте, який час можна отримати 0,06 моль хлориду магнію.

Е) від 70 до 40 °С швидкість реакції зменшилася у 8 разів;
ж) від 60 до 40 °С швидкість реакції зменшилася у 6,25 рази;
з) від 40 до 10 °С швидкість реакції зменшилася у 27 разів.

11. Власник автомашини пофарбував її новою фарбою, а потім виявив, що згідно з інструкцією вона повинна висихати 3 години при 105 °С. За який час висохне фарба при 25 °С, якщо температурний коефіцієнтреакції полімеризації, що лежить в основі цього процесу, дорівнює: а) 2; б) 3; в 4?

ВІДПОВІДІ НА ЗАВДАННЯ

1. а) = kc(Про 2); б) = kc(HI) 2 .

2. T+10 = T .

3. Швидкість реакції збільшується у випадках а, б, г, е; зменшується - в, д, ж; не змінюється - з.

4. 0,003 моль/(лс). При збільшенні концентрації ЗІ швидкість реакції зростає.

5. Швидкість першої реакції у 2 рази нижча.

6. 0,002 моль/(лс).

7. а) 1 моль; б) 100 р.

9. Збільшаться у 2 рази швидкості реакцій д, ж, з; у 4 рази – а, б, е; у 8 разів – в, м.

10. Температурний коефіцієнт:

2 для реакцій б, е; = 2,5 - в, ж; = 3 - д, з; = 3,5 – а, р.

а) 768 год (32 діб, тобто більше 1 місяця);
б) 19683 год (820 діб, тобто більше 2 років);
в) 196608 год (8192 діб, тобто 22 роки).

Фізична хімія: конспект лекцій Березовчук А В

2. Чинники, що впливають швидкість хімічної реакції

Для гомогенних, гетерогенних реакцій:

1) концентрація реагуючих речовин;

2) температура;

3) каталізатор;

4) інгібітор.

Тільки для гетерогенних:

1) швидкість підведення реагуючих речовин до поверхні поділу фаз;

2) площа поверхні.

Головний фактор – природа реагуючих речовин – характер зв'язку між атомами у молекулах реагентів.

NO 2 – оксид азоту (IV) – лисий хвіст, СО – чадний газ, монооксид вуглецю.

Якщо їх окислити киснем, то першому випадку реакція піде миттєво, варто відкрити пробку судини, у другому випадку реакція розтягнута у часі.

Концентрацію реагуючих речовин буде розглянуто нижче.

Блакитна опалесценція свідчить про момент випадання сірки, що вища концентрація, то швидкість вища.

Рис. 10

Чим більше концентрації Na 2 S 2 O 3 тим менше часу йде реакція. На графіці (рис. 10) зображено прямо пропорційна залежність. Кількісна залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин виражається ЗДМ (законом діючих мас), який говорить: швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин.

Отже, основним законом кінетикиє встановлений дослідним шляхом закон: швидкість реакції пропорційна концентрації речовин, що реагують, приклад: (тобто для реакції)

Для цієї реакції Н 2 + J 2 = 2НJ – швидкість можна виразити через зміну концентрації будь-якої речовини. Якщо реакція протікає ліворуч, то концентрація Н 2 і J 2 буде зменшуватися, концентрація НJ - збільшуватися по ходу реакції. Для миттєвої швидкостіреакцій можна записати вираз:

квадратними дужками позначається концентрація.

Фізичний зміст k-молекули перебувають у безперервному русі, зіштовхуються, розлітаються, ударяються об стінки судини. Для того щоб відбулася хімічна реакція утворення НJ, молекулам Н 2 і J 2 треба зіткнутися. Число таких зіткнень буде тим більше, чим більше молекул H 2 і J 2 міститься в обсязі, тобто тим більше будуть величини [Н 2 ] і . Але молекули рухаються з різними швидкостями, і сумарна кінетична енергіядвох зіштовхуються молекул буде різною. Якщо зіткнуться найшвидші молекули Н 2 і J 2 , енергія їх може бути такою великою, що молекули розіб'ються на атоми йоду і водню, що потім розлітаються і взаємодіють з іншими молекулами Н 2 + J 2 ? 2H+2J, далі буде H + J 2 ? HJ + J. Якщо енергія молекул, що зіштовхуються, менша, але досить велика для ослаблення зв'язків H – H і J – J, відбудеться реакція утворення йодоводороду:

У більшості ж молекул, що зіштовхуються, енергія менше необхідної для ослаблення зв'язків в Н 2 і J 2 . Такі молекули "тихо" зіткнуться і також "тихо" розійдуться, залишившись тим, чим вони були, Н2 і J2. Таким чином, не все, а лише частина зіткнень призводить до хімічної реакції. Коефіцієнт пропорційності (k) показує число результативних, що призводять до реакції зіткнень при концентраціях [Н2] = = 1моль. Величина k-const швидкості. Яка ж швидкість може бути постійною? Так, швидкістю рівномірного прямолінійного рухуназивають постійну векторну величину, що дорівнює відношенню переміщення тіла за будь-який проміжок часу до значення цього проміжку. Але молекули рухаються хаотично, тоді як може бути швидкість – const? Але постійна швидкістьможе бути лише за постійної температури. Зі зростанням температури збільшується частка швидких молекул, зіткнення яких призводять до реакції, тобто збільшується константа швидкості. Але збільшення константи швидкості не безмежне. За якоїсь температури енергія молекул стане настільки великою, що практично всі зіткнення реагентів будуть результативними. При зіткненні двох швидких молекул відбуватиметься зворотна реакція.

Настане такий момент, коли швидкості освіти 2НJ з Н 2 і J 2 і розкладання будуть рівні, але це вже хімічна рівновага. Залежність швидкості реакції від концентрації речовин, що реагують, можна простежити, користуючись традиційною реакцією взаємодії розчину тіосульфату натрію з розчином сірчаної кислоти.

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

H 2 S 2 O 3 = S? + H 2 O + SO 2?. (2)

Реакція (1) протікає майже миттєво. Швидкість реакції (2) залежить при постійній температурі від концентрації реагуючої речовини H 2 S 2 O 3 . Саме цю реакцію ми спостерігали – у цьому випадку швидкість вимірюється часом від початку зливання розчинів до появи опалесценції. у статті Л. М. Кузнєцової описано реакцію взаємодії тіосульфату натрію з соляною кислотою. Вона пише, що при зливанні розчинів відбувається опалесценція (помутніння). Але це твердження Л. М. Кузнєцової помилково оскільки опалесценція і помутніння – це різні речі. Опалесценція (від опал та латинського escentia– суфікс, що означає слабку дію) – розсіювання світла каламутними середовищами, зумовлене їхньою оптичною неоднорідністю. Розсіювання світла- Відхилення світлових променів, що поширюються в середовищі на всі боки від початкового напрямку. Колоїдні часткиздатні розсіювати світло (ефект Тіндаля - Фарадея) - цим пояснюється опалесценція, легка каламутність колоїдного розчину. При проведенні цього досвіду треба враховувати блакитну опалесценцію, а потім коагуляцію суспензії колоїдної сірки. Однакову щільність суспензії відзначають за видимим зникненням будь-якого малюнка (наприклад, сітки на дні стаканчика), що спостерігається зверху через шар розчину. Час відраховують по секундоміру з зливання.

Розчини Na ​​2 S 2 O 3 x 5H 2 O та H 2 SO 4 .

Перший готують шляхом розчинення 7,5 г солі 100 мл H 2 O, що відповідає 0,3 М концентрації. Для приготування розчину H 2 SO 4 тієї ж концентрації треба відміряти 1,8 мл H 2 SO 4 (к), ? = = 1,84 г/см 3 і розчинити її в 120 мл H 2 O. Приготовлений розчин Na 2 S 2 O 3 розлити в три склянки: у першу – 60 мл, у другу – 30 мл, в третю – 10 мл. У другу склянку додати 30 мл H 2 O дистильованої, а в третій - 50 мл. Таким чином, у всіх трьох склянках виявиться по 60 мл рідини, але в першій концентрація солі умовно = 1, у другій - Ѕ, а в третій - 1/6. Після того, як будуть підготовлені розчини, в першу склянку з розчином солі прилийте 60 мл розчину H 2 SO 4 і увімкніть секундомір, і т. д. Враховуючи, що швидкість реакції падає з розведенням розчину Na 2 S 2 O 3 її можна визначити як величину, обернено пропорційну часу v = 1/? і побудувати графік, відклавши на осі абсцис концентрацію, але в осі ординат – швидкість реакції. З цього висновок швидкість реакції залежить від концентрації речовин. Отримані дані занесені до таблиці 3. Можна цей досвід виконати за допомогою бюреток, але це вимагає від виконуючого великої практикитому що графік буває неправильним.

Таблиця 3

Швидкість та час реакції

Підтверджується закон Гульдберга-Вааге – професора хімії Гульдерга та молодого вченого Ваазі).

Розглянемо наступний фактор– температуру.

У разі збільшення температури швидкість більшості хімічних реакцій підвищується. Ця залежність описана правилом Вант-Гоффа: «У разі підвищення температури на кожні 10 °C швидкість хімічних реакцій збільшується у 2 – 4 рази».

де ? – температурний коефіцієнт, що показує, скільки разів збільшується швидкість реакції при підвищенні температури на 10 °C;

v 1 – швидкість реакції при температурі t 1;

v 2 –швидкість реакції при температурі t 2 .

Наприклад, реакція при 50 °С протікає за дві хвилини, за скільки часу закінчиться процес при 70 °С, якщо температурний коефіцієнт ? = 2?

t 1 = 120 с = 2 хв; t 1 = 50 ° С; t 2 = 70 °С.

Навіть невелике підвищення температури викликає різке збільшення швидкості реакції активних зіткнень молекули. Відповідно до теорії активації, у процесі беруть участь ті молекули, енергія яких більше середньої енергії молекул на певну величину. Ця надмірна енергія – енергія активації. Фізичний зміст її – це та енергія, яка необхідна активного зіткнення молекул (перебудови орбіталей). Число активних частинок, а отже, швидкість реакції зростає з температурою за експоненційним законом, відповідно до рівняння Арреніуса, що відображає залежність константи швидкості від температури

де А –коефіцієнт пропорційності Арреніуса;

k-постійна Больцмана;

Е А –енергія активації;

R –газова постійна;

Т-Температура.

Каталізатор - речовина, що прискорює швидкість реакції, яка сама при цьому не витрачається.

Каталіз– явище зміни швидкості реакції у присутності каталізатора. Розрізняють гомогенний та гетерогенний каталіз. Гомогений– якщо реагенти та каталізатор знаходяться в одному агрегатному стані. Гетерогенний– якщо реагенти та каталізатор у різних агрегатних станах. Для каталізу див. окремо (далі).

Інгібітор- Речовина, що уповільнює швидкість реакції.

Наступний фактор – площа поверхні. Чим більша поверхня реагуючої речовини, тим більша швидкість. Розглянемо з прикладу вплив ступеня дисперсності на швидкість реакції.

CaCO 3 – мармур. Плитковий мармур опустимо в соляну кислоту HCl, зачекаємо п'ять хвилин, він повністю розчиниться.

Порошкоподібний мармур - з ним проробимо ту ж саму процедуру, він розчинився через тридцять секунд.

Рівняння обох процесів однаково.

CaCO 3 (тв) + HCl(г) = CaCl 2 (тв) + H 2 O(ж) + CO 2 (г)?.

Отже, при додаванні порошкоподібного мармуру час менше, ніж при додаванні мармуру плиткового, при однаковій масі.

Зі збільшенням поверхні поділу фаз швидкість гетерогенних реакцій збільшується.

З книги Фізична хімія: конспект лекцій автора Березовчук А В

2. Рівняння ізотерми хімічної реакції Якщо реакція протікає оборотно, то? G = 0. Якщо реакція протікає необоротно, то? 0 і можна розрахувати зміну? де? - Пробіг реакції - величина, яка показує, скільки молей змінилося в ході реакції. I сп - характеризує

Із книги Новітня книгафактів. Том 3 [Фізика, хімія та техніка. Історія та археологія. Різне] автора Кондрашов Анатолій Павлович

3. Рівняння ізохори, ізобари хімічної реакції.

З книги Нейтрино – примарна частка атома автора Азимов Айзек

1. Поняття хімічної кінетики Кінетика - наука про швидкості хімічних реакцій.

Із книги Атомна енергіядля військових цілей автора Сміт Генрі Деволф

8. Чинники, що впливають перенапруга водню. Перенапруження кисню Фактори, що впливають на Н2:1) струму (щільність струму). Залежність від щільності струму описується рівнянням Тафеля; 2) природа матеріалу катода - ряд за зростанням?,? - Перенапруження.

З книги Курс історії фізики автора Степанович Кудрявцев Павло

Що таке теорія відносності автора Ландау Лев Давидович

Ядерні реакціїі електричний зарядКоли в 90-х роках минулого століття фізики стали ясніше уявляти структуру атома, вони виявили, що, принаймні, деякі його частини несуть електричний заряд. Наприклад, електрони, що заповнюють зовнішні областіатома,

З книги Фізика на кожному кроці автора Перельман Яків Ісидорович

ЯДЕРНІ РЕАКЦІЇ МЕТОДИ БОМБАРДУВАННЯ ЯДЕР1.40. Кокрофт та Уолтон отримували протони з досить великою енергією шляхом іонізації газоподібного водню та подальшого прискорення іонів високовольтною установкою з трансформатором та випрямлячем. Подібний метод можна

З книги 50 років радянської фізики автора Лешковцев Володимир Олексійович

ПРОБЛЕМА ЛАНЦЮБНОЇ РЕАКЦІЇ 2.3. Принцип дії атомних бомбабо силової установки, що використовує поділ урану, досить простий. Якщо один нейтрон викликає поділ, що призводить до звільнення кількох нових нейтронів, то кількість поділів може бути дуже швидкою.

З книги Новий розум короля [Про комп'ютери, мислення та закони фізики] автора Пенроуз Роджер

ПРОДУКТИ РЕАКЦІЇ І ПРОБЛЕМУ РОЗДІЛУ 8.16. У хенфордской установці процес виробництва плутонію поділяється на дві основні частини: власне одержання його в котлі та виділення його з блоків урану, в яких він утворюється. Переходимо до розгляду другої частини процесу

З книги На кого впало яблуко автора Кессельман Володимир Самуїлович

ЧИННИКИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА РОЗДІЛ ІЗОТОПІВ 9.2. За визначенням, ізотопи елемента відрізняються своїми масами, але не хімічними властивостями. Точніше, хоча маси ядер ізотопів та його будова різні, заряди ядер однакові, і тому зовнішні електронні оболонки

З книги автора

Здійснення ланцюгової реакціїТепер почало з усією силою питання про ланцюгову реакцію поділу і про можливість отримання руйнівної вибухової енергії поділу. Це питання фатально переплелося зі світовою війною, розв'язаною фашистською Німеччиною 1 вересня

З книги автора

І швидкість відносна! З принципу відносності руху випливає, що говорити про прямолінійний і рівномірному русітіла з деякою швидкістю, не вказуючи, щодо якої з лабораторій, що покояться, виміряна швидкість, має настільки ж мало сенсу, як говорити

З книги автора

Швидкість звуку Чи траплялося вам спостерігати здалеку за дроворубом, що рубає дерево? Чи, можливо, ви стежили за тим, як вдалині працює тесля, забиваючи цвяхи? Ви могли помітити при цьому дуже дивна річ: удар лунає не тоді, коли сокира врізається в дерево або

З книги автора

Керовані термоядерні реакції Некеровані термоядерні реакції відбуваються при вибухах водневих бомб. Вони призводять до вивільнення величезної кількості ядерної енергії, що супроводжується вкрай руйнівним вибухом. Тепер завдання вчених – знайти шляхи

З книги автора

З книги автора

У лабіринтах реакції поділу У 1938 німецькі вчені Отто Ган і Фріц Штрассман (1902-1980) зробили дивовижне відкриття. Вони виявили, що при бомбардуванні урану нейтронами іноді виникають ядра, приблизно вдвічі легші за вихідне ядро ​​урану. Подальші

Хімічні методи

Фізичні методи

Методи вимірювання швидкості реакції

У наведеному вище прикладі швидкість реакції між карбонатом кальцію і кислотою вимірювали шляхом вивчення залежності обсягу газу, що виділився від часу. Досвідчені дані про швидкості реакції можна отримувати виміром інших величин.

Якщо під час реакції змінюється Загальна кількістьгазоподібних речовин, то за її протіканням можна спостерігати, вимірюючи тиск газу при постійному обсязі. У тих випадках, коли одна з вихідних речовин або одна з продуктів реакції забарвлена, за ходом реакції можна стежити, спостерігаючи зміну забарвлення розчину. Іншим оптичним методомє вимірювання обертання площини поляризації світла (якщо вихідні речовини і продукти реакції мають різну обертову здатність).

Деякі реакції супроводжуються зміною числа іонів у розчині. У таких випадках швидкість реакції можна вивчати шляхом вимірювання електричної провідностірозчину. У наступному розділібудуть розглянуті деякі інші електрохімічні методиякі можуть бути використані для вимірювання швидкостей реакцій.

За ходом реакції можна стежити, вимірюючи у часі концентрацію одного з учасників реакції за допомогою різноманітних методів хімічного аналізу. Реакцію проводять у термостатованій судині. Через певні проміжки часу судини відбирають пробу розчину (або газу) і визначають концентрацію одного з компонентів. Для отримання надійних результатів важливо, щоб у пробі, відібраної для аналізу реакція не відбувалася. Це досягається шляхом хімічного зв'язування одного з реагентів, різким охолодженням або розведенням розчину.

Експериментальні дослідженняпоказують, що швидкість реакції залежить від кількох факторів. Розглянемо вплив цих чинників на якісному рівні.

1.Природа реагуючих речовин.З лабораторної практики ми знаємо, що нейтралізація кислоти є основою

Н + + ВІН - ® Н 2 О

взаємодія солей з утворенням малорозчинної сполуки

Ag + + Cl – ® AgCl

та інші реакції у розчинах електролітів відбуваються дуже швидко. Час, необхідний для завершення таких реакцій, вимірюється в мілісекундах і навіть мікросекундах. Це зрозуміло, т.к. сутність таких реакцій полягає у зближенні та з'єднанні заряджених частинок із зарядами протилежного знака.

В протилежність іонним реакціямвзаємодія між ковалентною пов'язаними молекуламизазвичай протікає набагато повільніше. Адже в ході реакції між такими частинками має статися розрив зв'язків у молекулах вихідних речовин. Для цього стикаються молекули повинні мати певний запас енергії. Крім того, якщо молекули досить складні, для того, щоб відбулася між ними реакція, вони повинні бути певним чином орієнтовані у просторі.

2. Концентрація реагуючих речовин. Швидкість хімічної реакції, за інших рівних умовахзалежить від числа зіткнень реагуючих частинок в одиницю часу. Імовірність зіткнень залежить від кількості частинок в одиниці обсягу, тобто. від концентрації. Тому швидкість реакції збільшується із підвищенням концентрації.

3. Фізичний станречовин. У гомогенних системах швидкість реакції залежить від кількості зіткнень частинок об'єм розчину(або газу). У гетерогенних системах хімічна взаємодіявідбувається на поверхні розділу фаз. Збільшення площі поверхні твердої речовини при подрібненні полегшує доступ реагуючих частинок до частинок твердої речовини, що призводить до істотного прискорення реакції.

4. Температураістотно впливає на швидкість різноманітних хімічних та біологічних процесів. При збільшенні температури підвищується кінетична енергія частинок, отже, збільшується частка частинок, енергія яких є достатньою для хімічної взаємодії.

5. Стеричний факторхарактеризує необхідність взаємної орієнтації частинок, що реагують. Чим складніше молекули, тим менша ймовірність їх належної орієнтації, тим менша ефективність зіткнень.

6. Наявність каталізаторів.Каталізаторами називаються речовини, у яких змінюється швидкість хімічної реакції.Вони вводяться в реакційну систему в невеликих кількостях і залишаються після реакції незмінними, вони здатні надзвичайно змінювати швидкість процесу.

Основні чинники, яких залежить швидкість реакції, будуть докладніше розглянуті нижче.

ВИЗНАЧЕННЯ

Хімічна кінетика– вчення про швидкості та механізми хімічних реакцій.

Вивчення швидкостей перебігу реакцій, отримання даних про чинники, що впливають швидкість хімічної реакції, і навіть вивчення механізмів хімічних реакцій здійснюють експериментально.

ВИЗНАЧЕННЯ

Швидкість хімічної реакції- Зміна концентрації однієї з реагуючих речовин або продуктів реакції в одиницю часу при незмінному обсязі системи.

Швидкість гомогенної та гетерогенних реакційвизначаються по-різному.

Визначення міри швидкості хімічної реакції можна записати в математичної форми. Нехай – швидкість хімічної реакції в гомогенній системі, n B – число моле будь-якої з речовин, що виходять при реакції, V – обсяг системи, – час. Тоді в межах:

Це рівняння можна спростити – відношення кількості речовини до обсягу є молярну концентраціюречовини n B /V = c B , звідки dn B / V = ​​dc B і остаточно:

Насправді вимірюють концентрації однієї чи кількох речовин у певні проміжки часу. Концентрації вихідних речовин поступово зменшуються, а концентрації продуктів – збільшуються (рис. 1).

Рис. 1. Зміна концентрації вихідної речовини (а) та продукту реакції (б) з часом

Чинники, що впливають на швидкість хімічної реакції

Факторами, що впливають на швидкість хімічної реакції, є: природа речовин, що реагують, їх концентрації, температура, присутність в системі каталізаторів, тиск і об'єм (в газовій фазі).

З впливом концентрації на швидкість хімічної реакції пов'язаний основний закон хімічної кінетики – закон діючих мас (ЗДМ): швидкість хімічної реакції прямопропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, зведених у ступені їх стехіометричних коефіцієнтів. ЗДМ не враховує концентрацію речовин у твердій фазі у гетерогенних системах.

Для реакції mA +nB = pC +qD математичний вираз ЗДМ записуватиметься:

K × C A m × C B n

K × [A] m × [B] n ,

де k – константа швидкості хімічної реакції, що є швидкість хімічної реакції при концентрації реагуючих речовин 1моль/л. На відміну від швидкості хімічної реакції, k не залежить від концентрації речовин, що реагують. Що вище k, то швидше протікає реакція.

Залежність швидкості хімічної реакції температури визначається правилом Вант-Гоффа. Правило Вант-Гоффа: при підвищенні температури кожні десять градусів швидкість більшості хімічних реакцій збільшується приблизно 2 – 4 разу. Математичний вираз:

(T 2) = (T 1) × (T2-T1)/10 ,

де - температурний коефіцієнт Вант-Гоффа, що показує у скільки разів збільшилася швидкість реакції при підвищенні температури на 10 o С.

Молекулярність та порядок реакції

Молекулярність реакції визначається мінімальним числом молекул, які одночасно вступають у взаємодію (що беруть участь в елементарному акті). Розрізняють:

- мономолекулярні реакції (прикладом можуть бути реакції розкладання)

N 2 O 5 = 2NO 2 + 1/2O 2

K × C, -dC/dt = kC

Проте, в повному обсязі реакції, підпорядковуються цьому рівнянню мономолекулярны.

- Бімолекулярні

CH 3 COOH + C 2 H 5 OH = CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O

K × C 1 × C 2 , -dC/dt = k × C 1 × C 2

- Тримолекулярні (зустрічаються дуже рідко).

Молекулярність реакції визначається її дійсним механізмом. Після запису рівняння реакції визначити її молекулярність не можна.

Порядок реакції визначається за видом кінетичного рівнянняреакції. Він дорівнює суміпоказників ступенів концентрації у цьому рівнянні. Наприклад:

CaCO 3 = CaO + CO 2

K × C 1 2 × C 2 – третій порядок

Порядок реакції може бути дробовим. У разі він визначається експериментально. Якщо реакція протікає в одну стадію, то порядок реакції та її молекулярність збігаються, якщо в кілька стадій, то порядок визначається найповільнішою стадією і дорівнює молекулярності цієї реакції.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Реакція протікає за рівнянням 2А + В = 4С. Початкова концентрація речовини А 0,15 моль/л, а через 20 секунд – 0,12 моль/л. Обчисліть середню швидкість реакції.
Рішення	Запишемо формулу для обчислення середньої швидкостіхімічної реакції: Чи не знайшли відповідь на своє запитання? Подивіться тут Дядько Ваня сюжет п'єси. "Дядя Ваня. Ставлення до професора оточуючих Крихітка Цахес по прозвищу Циннобер Майков, Аполлон Миколайович – коротка біографія