Швидкість реакціївизначається зміною молярної концентрації однієї з реагуючих речовин:

V = ± ((С 2 - С 1) / (t 2 - t 1)) = ± (DС / Dt)

Де С 1 і С 2 - молярні концентрації речовин у моменти часу t 1 і t 2 відповідно (знак (+) - якщо швидкість визначається за продуктом реакції, знак (-) - за вихідною речовиною).

Реакції відбуваються при зіткненні молекул речовин, що реагують. Її швидкість визначається кількістю зіткнень та ймовірністю того, що вони призведуть до перетворення. Число зіткнень визначається концентраціями реагуючих речовин, а ймовірність реакції - енергією молекул, що стикаються.
Чинники, що впливають на швидкість хімічних реакцій.
1. Природа реагуючих речовин. Велику роль відіграє характер хімічних зв'язків та будова молекул реагентів. Реакції протікають у напрямку руйнування менш міцних зв'язків та утворення речовин із міцнішими зв'язками. Так, для розриву зв'язків у молекулах H 2 і N 2 потрібні високі енергії; такі молекули мало реакційні. Для розриву зв'язків у сильнополярних молекулах (HCl, H 2 O) потрібно менше енергії, і швидкість реакції значно вища. Реакції між іонами у розчинах електролітів протікають практично миттєво.
Приклади
Фтор з воднем реагує з вибухом за кімнатної температури, бром з воднем взаємодіє повільно і при нагріванні.
Оксид кальцію входить у реакцію з водою енергійно, із тепла; оксид міді – не реагує.

2. Концентрація. Зі збільшенням концентрації (числа частинок в одиниці об'єму) частіше відбуваються зіткнення молекул реагуючих речовин – швидкість реакції зростає.
Закон діючих мас (К. Гульдберг, П. Вааге, 1867 р.)
Швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин.

AA + bB +. . . ®. . .

• [A] a [B] b. . .

Константа швидкості реакції k залежить від природи реагуючих речовин, температури та каталізатора, але не залежить від значення концентрацій реагентів.
Фізичний зміст константи швидкості полягає в тому, що вона дорівнює швидкості реакції при поодиноких концентраціях речовин, що реагують.
Для гетерогенних реакцій концентрація твердої фази у вираз швидкості реакції не входить.

3. Температура. При підвищенні температури кожні 10°C швидкість реакції зростає в 2-4 разу (Правило Вант-Гоффа). При збільшенні температури від t 1 до t 2 зміну швидкості реакції можна розрахувати за такою формулою:

(де Vt 2 і Vt 1 - швидкості реакції при температурах t 2 і t 1 відповідно; g-температурний коефіцієнт цієї реакції).
Правило Вант-Гоффа застосовується лише у вузькому інтервалі температур. Більш точним є рівняння Арреніуса:

• e-Ea/RT

де
A - постійна, що залежить від природи речовин, що реагують;
R - універсальна газова постійна;

Ea – енергія активації, тобто. енергія, якою повинні мати стикаються молекули, щоб зіткнення призвело до хімічного перетворення.
Енергетична діаграма хімічної реакції.

А – реагенти, В – активований комплекс (перехідний стан), С – продукти.
Чим більша енергія активації Ea, тим більше зростає швидкість реакції зі збільшенням температури.

4. Поверхня дотику реагуючих речовин. Для гетерогенних систем (коли речовини перебувають у різних агрегатних станах), що більше поверхню зіткнення, то швидше протікає реакція. Поверхня твердих речовин може бути збільшена шляхом їх подрібнення, а розчинних речовин - шляхом їх розчинення.

5. Каталіз. Речовини, що беруть участь у реакціях та збільшують її швидкість, залишаючись до кінця реакції незмінними, називаються каталізаторами. Механізм дії каталізаторів пов'язаний із зменшенням енергії активації реакції за рахунок утворення проміжних сполук. При гомогенний каталізреагенти і каталізатор становлять одну фазу (перебувають в одному агрегатному стані), при гетерогенний каталіз- Різні фази (перебувають у різних агрегатних станах). Різко уповільнити протікання небажаних хімічних процесів у ряді випадків можна додаючи в реакційне середовище інгібітори. негативного каталізу").

Деякі хімічні реакції відбуваються практично миттєво (вибух киснево-водневої суміші, реакції іонного обміну у водному розчині), другі – швидко (горіння речовин, взаємодія цинку з кислотою), треті – повільно (іржавіння заліза, гниття органічних залишків). Відомі настільки повільні реакції, що людина їх просто не може помітити. Так, наприклад, перетворення граніту на пісок і глину відбувається протягом тисяч років.

Іншими словами, хімічні реакції можуть протікати з різною швидкістю.

Але що таке швидкість реакції? Яким є точне визначення даної величини і, головне, її математичне вираз?

Швидкістю реакції називають зміну кількості речовини за одну одиницю часу однієї одиниці обсягу. Математично цей вираз записується як:

Де n 1 та n 2– кількість речовини (моль) у момент часу t 1 і t 2 відповідно у системі об'ємом V.

Те, який знак плюс або мінус (±) стоятиме перед вираженням швидкості, залежить від того, на зміну кількості якої речовини ми дивимося – продукту чи реагенту.

Очевидно, що в ході реакції відбувається витрата реагентів, тобто їх кількість зменшується, отже, для реагентів вираз (n 2 - n 1) завжди має значення менше нуля. Оскільки швидкість може бути негативною величиною, у разі перед виразом потрібно поставити знак «мінус».

Якщо ми дивимося зміну кількості продукту, а чи не реагенту, перед виразом до розрахунку швидкості знак «мінус» непотрібен, оскільки вираз (n 2 — n 1) у разі завжди позитивно, т.к. кількість продукту в результаті реакції може лише збільшуватись.

Відношення кількості речовини nдо обсягу, в якому ця кількість речовини знаходиться, називають молярною концентрацією З:

Таким чином, використовуючи поняття молярної концентрації та його математичне вираз, можна записати інший варіант визначення швидкості реакції:

Швидкістю реакції називають зміну молярної концентрації речовини внаслідок протікання хімічної реакції за одну одиницю часу:

Чинники, що впливають швидкість реакції

Нерідко буває дуже важливо знати, від чого залежить швидкість тієї чи іншої реакції та як на неї вплинути. Наприклад, нафтопереробна промисловість у буквальному значенні б'ється за кожні додаткові піввідсотки продукту в одиницю часу. Адже з огляду на величезну кількість нафти, що переробляється, навіть піввідсотка випливає у великий фінансовий річний прибуток. У деяких випадках дуже важливо якусь реакцію уповільнити, зокрема корозію металів.

Тож від чого залежить швидкість реакції? Залежить вона, як не дивно, від багатьох різних параметрів.

Для того щоб розібратися в цьому питанні насамперед уявімо, що відбувається в результаті хімічної реакції, наприклад:

Написане вище рівняння відбиває процес, у якому молекули речовин А і, зіштовхуючись один з одним, утворюють молекули речовин З і D.

Тобто, безперечно, щоб реакція пройшла, як мінімум, необхідне зіткнення молекул вихідних речовин. Очевидно, якщо ми підвищимо кількість молекул в одиниці об'єму, кількість зіткнень збільшиться аналогічно до того, як зросте частота ваших зіткнень з пасажирами в переповненому автобусі порівняно з напівпорожнім.

Іншими словами, швидкість реакції зростає зі збільшенням концентрації реагуючих речовин.

У випадку, коли один з реагентів або відразу є газами, швидкість реакції збільшується при підвищенні тиску, оскільки тиск газу завжди прямо пропорційно концентрації складових його молекул.

Тим не менш, зіткнення частинок є необхідною, але зовсім недостатньою умовою протікання реакції. Справа в тому, що згідно з розрахунками, кількість зіткнень молекул реагуючих речовин при їх розумній концентрації настільки велика, що всі реакції повинні протікати в одну мить. Проте на практиці цього не відбувається. У чому ж справа?

Справа в тому, що не всяке зіткнення молекул реагентів обов'язково буде ефективним. Багато зіткнень є пружними – молекули відскакують один від одного наче м'ячі. Для того щоб реакція пройшла, молекули повинні мати достатню кінетичну енергію. Мінімальна енергія, якою повинні мати молекули реагуючих речовин для того, щоб реакція пройшла, називається енергією активації та позначається як Е а. У системі, що складається з великої кількостімолекул, існує розподіл молекул за енергією, частина з них має низьку енергію, частину високу та середню. З усіх цих молекул лише в невеликій частині молекул енергія перевищує енергію активації.

Як відомо з курсу фізики, температура фактично є мірою кінетичної енергії частинок, з яких складається речовина. Тобто, чим швидше рухаються частинки, що становлять речовину, тим вища її температура. Таким чином, очевидно, підвищуючи температуру, ми по суті збільшуємо кінетичну енергію молекул, внаслідок чого зростає частка молекул з енергією, що перевищує Е а та їх зіткнення призведе до хімічної реакції.

Факт позитивного впливу температури на швидкість перебігу реакції ще в 19 столітті емпірично встановив голландський хімік Вант Гофф. На підставі проведених ним досліджень він сформулював правило, яке й досі носить його ім'я, і ​​звучить воно наступним чином:

Швидкість будь-якої хімічної реакції збільшується у 2-4 рази за підвищення температури на 10 градусів.

Математичне відображення цього правила записується як:

де V 2і V 1- Швидкість при температурі t 2 і t 1 відповідно, а γ - температурний коефіцієнт реакції, значення якого найчастіше лежить в діапазоні від 2 до 4.

Часто швидкість багатьох реакцій вдається підвищити, використовуючи каталізатори.

Каталізатори - речовини, що прискорюють перебіг будь-якої реакції і при цьому не витрачаються.

Але яким чином каталізаторам вдається підвищити швидкість реакції?

Згадаймо про енергію активації E a . Молекули з меншою енергією, ніж енергія активації без каталізатора один з одним взаємодіяти не можуть. Каталізатори, що змінюють шлях, яким протікає реакція подібно до того, як досвідчений провідник прокладе маршрут експедиції не безпосередньо через гору, а за допомогою обхідних стежок, внаслідок чого навіть ті супутники, які не мали достатньо енергії для сходження на гору, зможуть перебратися на іншу її бік.

Незважаючи на те, що каталізатор при проведенні реакції не витрачається, проте він бере в ній активну участь, утворюючи проміжні сполуки з реагентами, але до кінця реакції повертається до свого первісного стану.

Крім зазначених вище факторів, що впливають швидкість реакції, якщо між реагуючими речовинами є межа розділу (гетерогенна реакція), швидкість реакції залежатиме також і від площі дотику реагентів. Наприклад, уявіть собі гранулу металевого алюмінію, яку кинули в пробірку з водним розчиномсоляної кислоти. Алюміній – активний металякий здатний реагувати з кислотами неокислювачами. З соляною кислотою рівняння реакції виглядає так:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

Алюміній є твердою речовиною, і це означає, що реакція з соляною кислотою йде тільки на його поверхні. Очевидно, що якщо ми збільшимо площу поверхні, попередньо розкотивши гранулу алюмінію у фольгу, ми цим надамо більшу кількість доступних для реакції з кислотою атомів алюмінію. Внаслідок цього швидкість реакції збільшиться. Аналогічно збільшення поверхні твердої речовини можна домогтися подрібненням їх у порошок.

Також на швидкість гетерогенної реакції, в якій реагує тверда речовина з газоподібною або рідкою, часто позитивно впливає перемішування, що пов'язано з тим, що в результаті перемішування досягається видалення із зони реакції молекул продуктів реакції, що накопичуються, і «підноситься» нова порція молекул реагенту.

Останнім слід відзначити також величезний вплив на швидкість перебігу реакції та природи реагентів. Наприклад, чим нижче в таблиці Менделєєва знаходиться лужний металтим швидше він реагує з водою, фтор серед усіх галогенів найбільш швидко реагує з газоподібним воднем і т.д.

Резюмуючи все сказане вище, швидкість реакції залежить від наступних факторів:

1) концентрація реагентів: що вище, то більше вписувалося швидкість реакції.

2) температура: зі зростанням температури швидкість будь-якої реакції збільшується.

3) площа зіткнення реагуючих речовин: що більше площа контакту реагентів, то вища швидкість реакції.

4) перемішування, якщо реакція відбувається меду твердою речовиною та рідиною або газом, перемішування може її прискорити.

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 проблем виникає 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 програми, дуже вузьке. 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 уроках хімії. Виняток із курсу шкільної хімії спірних та суперечливих моментів цієї теми особливо важливий для тих учнів, хто збирається продовжити свою хімічну освіту у вузі. 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 довгий часзалишатися 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

Кількісною характеристикою того, наскільки швидко протікає 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 речовини та газу, твердої речовини та рідини тощо. До гетерогенних реакцій відносяться, наприклад, реакції металів із кислотами:

Fе + 2НСl = FeСl 2 + Н 2 .

В цьому 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, що визначає швидкість хімічної реакції, – концентрація.

При підвищенні концентрації реагуючих речовин швидкість реакції зазвичай зростає. Для того, щоб вступити в реакцію, дві хімічні частки повинні зблизитися, тому швидкість реакції залежить від кількості зіткнень між ними. Збільшення числа частинок у цьому обсязі призводить до частіших 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 речовин можна збільшити одночасно, зменшуючи обсяг, який займає суміш. 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 у кристалічній структурі викликають збільшення реакційної здатності твердих тіл, т.к. для руйнування міцної кристалічної структури потрібна 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 і подвоєного третього дає сумарне рівняння реакції. 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 рівнянь реакцій, відбивають механізми реальних хімічних процесів, коли стехиометрические 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 частинок призводить 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 і 2:

А2 + В2 = 2АВ.

У ході хімічної реакції відбувається перегрупування атомів, що супроводжується розривом хімічних зв'язків у 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 завжди сповільнюється. 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 розчином пероксиду водню шматочок твердого діоксиду марганцю, 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 або різних агрегатних станах знаходиться каталізатор і речовини, що реагують, розрізняють гомогенний і 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

ЗАВДАННЯ

1. Дайте визначення швидкості хімічної реакції. Напишіть вираз кінетичного закону діючих 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 має сохнути 3 години при 105 °С. За який час висохне фарба при 25 °С, якщо температурний коефіцієнт реакції 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).

Говорити про здійсненність процесу можна зміни системи. Але дана величина не відображає реальну можливість перебігу реакції, її швидкістьта механізм.

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

З погляду 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 чинних масзвучить 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- Зміна кількості однієї з реагуючих речовин за одиницю часу в одиниці реакційного простору.

На швидкість хімічної реакції впливають такі фактори:

• природа реагуючих речовин;
• концентрація реагуючих речовин;
• поверхню зіткнення реагуючих речовин (у гетерогенних реакціях);
• температура;
• дія каталізаторів.

Теорія активних зіткненьдає змогу пояснити вплив деяких факторів на швидкість хімічної реакції. Основні положення цієї теорії:

• Реакції відбуваються при зіткненні частинок реагентів, які мають певну енергію.
• Чим більше частинок реагентів, чим ближче вони один до одного, тим більше шансів у них зіткнутися та прореагувати.
• До реакції призводять лише ефективні зіткнення, тобто. такі за яких руйнуються чи послаблюються «старі зв'язки» і тому можуть утворитися «нові». Для цього частинки повинні мати достатню енергію.
• Мінімальний надлишок енергії, необхідний для ефективного зіткнення частинок реагентів, називається енергією активації Еа.
• Активність хімічних речовин проявляється 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.

Вплив концентрації реагуючих речовин на швидкість реакції

У разі підвищення концентрації реагуючих речовин швидкість реакції зростає. Щоб вступити в реакцію, дві хімічні частинки повинні зблизитися, тому швидкість реакції залежить від кількості зіткнень між ними. Збільшення числа частинок в даному обсязі призводить до більш частих зіткнень і зростання швидкості реакції.

До збільшення швидкості реакції, що протікає в газовій фазі, приведе підвищення тиску або зменшення обсягу, займаного сумішшю.

На основі експериментальних даних у 1867 р. норвезькі вчені К. Гульдберг, і П Вааге та незалежно від них у 1865 р. російський учений Н.І. Бекетов сформулювали основний закон хімічної кінетики, що встановлює залежність швидкості реакції від концентрацій реагуючих речовин-

Закон діючих мас (ЗДМ):

Швидкість хімічної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих у ступенях рівних їх коефіцієнтів рівняння реакції. («діюча маса» – синонім сучасного поняття «концентрація»)

аА+bВ =cС +dD,де k- Константа швидкості реакції

ЗДМ виконується лише елементарних хімічних реакцій, які у одну стадію. Якщо реакція протікає послідовно через кілька стадій, то сумарна швидкість всього процесу визначається найповільнішою частиною.

Вирази для швидкостей різних типів реакцій

ЗДМ відноситься до гомогенних реакцій. Якщо реакція геторогенна (реагенти перебувають у різних агрегатних станах), то рівняння ЗДМ входять лише рідкі чи лише газоподібні реагенти, а тверді виключаються, впливаючи лише з константу швидкості k.

Молекулярність реакції– це мінімальна кількість молекул, що у елементарному хімічному процесі. За молекулярністю елементарні хімічні реакції поділяються на молекулярні (А →) та бімолекулярні (А + В →); Тримолекулярні реакції зустрічаються надзвичайно рідко.

Швидкість гетерогенних реакцій

• Залежить від площі поверхні зіткнення речовин, тобто. від рівня подрібнення речовин, повноти змішування реагентів.
• Приклад – горіння деревини. Ціле поліно горить у повітрі порівняно повільно. Якщо збільшити поверхню зіткнення дерева з повітрям, розколів поліно на тріски, швидкість горіння збільшиться.
• Пірофорне залізо висипають на аркуш фільтрувального паперу. За час падіння частки заліза розжарюються та підпалюють папір.

Вплив температури на швидкість реакції

У XIX столітті голландський вчений Вант-Гофф досвідченим шляхом виявив, що при підвищенні температури на 10 о С швидкості багатьох реакцій зростають у 2-4 рази.

Правило Вант-Гоффа

При підвищенні температури на кожні 10 ◦ швидкість реакції збільшується в 2-4 рази.

Тут γ (грецька буква «гама») — так званий температурний коефіцієнт або коефіцієнт Вант-Гоффа, що набуває значення від 2 до 4.

Для кожної конкретної реакції температурний коефіцієнт визначається дослідним шляхом. Він показує, скільки саме разів зростає швидкість даної хімічної реакції (і її константа швидкості) при підвищенні температури на кожні 10 градусів.

Правило Вант-Гоффа використовується для наближеної оцінки зміни константи швидкості реакції у разі підвищення або зниження температури. Точніше співвідношення між константою швидкості і температурою встановив шведський хімік Сванте Арреніус:

Чим більше E a конкретної реакції, тим менше(при цій температурі) буде константа швидкості k (і швидкість) цієї реакції. Підвищення Т призводить до збільшення константи швидкості, це пояснюється тим, що підвищення температури призводить до швидкого збільшення числа енергійних молекул, здатних долати активаційний бар'єр E a .

Вплив каталізатора на швидкість реакції

Можна змінити швидкість реакції, використовуючи спеціальні речовини, які змінюють механізм реакції і направляють її енергетично більш вигідному шляху з меншою енергією активації.

Каталізатори- Це речовини, що беруть участь у хімічній реакції і збільшують її швидкість, але після закінчення реакції залишаються незмінними якісно і кількісно.

Інгібітори- Речовини, що уповільнюють хімічні реакції.

Зміна швидкості хімічної реакції або її спрямування за допомогою каталізатора називають каталізом .