Процес зміни швидкості хімічних реакцій. Швидкість хімічних реакцій

Ми постійно зіштовхуємось із різними хімічними взаємодіями. Згоряння природного газу, іржавіння заліза, скисання молока – далеко не всі процеси, які докладно вивчаються у шкільному курсі хімії.

Для протікання одних реакцій потрібні частки секунд, а деяких взаємодій потрібні дні і тижня.

Спробуємо виявити залежність швидкості реакції від температури, концентрації, інших чинників. У новому освітньому стандарті на це питання приділяється мінімальна кількість навчального часу. У тестах єдиного державного іспиту є завдання залежність швидкості реакції від температури, концентрації і навіть пропонуються розрахункові завдання. Багато старшокласників мають певні складнощі з пошуком відповідей на ці питання, тому детально проаналізуємо цю тему.

Актуальність питання, що розглядається

Інформація про швидкість реакції має важливе практичне та наукове значення. Наприклад, у виробництві речовин і товарів від цієї величини безпосередньо залежить продуктивність апаратури, вартість товарів.

Класифікація реакцій, що протікають

Існує пряма залежність між агрегатним станом вихідних компонентів та продуктів, що утворюються в ході гетерогенної взаємодії.

Під системою прийнято мати на увазі в хімії речовину або їх сукупність.

Гомогенною вважають таку систему, що складається з однієї фази (однакового агрегатного стану). Як її приклад можна згадати суміш газів, кілька різних рідин.

Гетерогенною є система, в якій реагуючі речовини знаходяться у вигляді газів та рідин, твердих тіл та газів.

Існує не тільки залежність швидкості реакції від температури, а й від того, у якій фазі використовуються компоненти, що вступають у аналізовану взаємодію.

Для однорідного складу характерно перебіг процесу по всьому обсягу, що суттєво підвищує його якість.

Якщо вихідні речовини перебувають у різних фазових станах, у разі максимальне взаємодія спостерігається межі розділу фаз. Наприклад, при розчиненні активного металу в кислоті, утворення продукту (солі) спостерігається тільки на поверхні зіткнення.

Математична залежність між швидкістю процесу та різними факторами

Як виглядає рівняння залежності швидкості хімічної реакції від температури? Для гомогенного процесу швидкість визначається кількістю речовини, що вступає у взаємодію або утворюється в ході реакції в обсязі системи за одиницю часу.

Для гетерогенного процесу швидкість визначається через кількість речовини, що реагує або одержуваного у процесі на одиниці площі за мінімальний проміжок часу.

Чинники, що впливають на швидкість хімічної реакції

Природа реагуючих речовин - одна з причин різної швидкості перебігу процесів. Наприклад, лужні метали при кімнатній температурі утворюють із водою луги, причому процес супроводжується інтенсивним виділенням газоподібного водню. Шляхетні метали (золото, платина, срібло) не здатні до подібних процесів ні за кімнатної температури, ні за нагрівання.

Природа реагуючих речовин - той фактор, який враховують у хімічній промисловості, щоб підвищити рентабельність виробництва.

Виявлено залежність між концентрацією реагентів та швидкістю протікання хімічної реакції. Чим вона буде вищою, тим більше часток стикатиметься, отже, процес протікатиме швидше.

Закон мас у математичному вигляді описує прямо пропорційну залежність між концентрацією вихідних речовин і швидкістю протікання процесу.

Він був сформульований у середині ХІХ століття російським хіміком М. М. Бекетовим. До кожного процесу визначається константа реакції, яка пов'язана ні з температурою, ні з концентрацією, ні з природою реагуючих речовин.

Для того, щоб прискорити реакцію, в якій бере участь тверда речовина, потрібно подрібнити її до порошкоподібного стану.

При цьому відбувається зростання площі поверхні, що позитивно позначається на швидкості перебігу процесу. Для дизельного палива застосовують спеціальну систему упорскування, завдяки чому при зіткненні з повітрям швидкість процесу згоряння суміші вуглеводнів істотно зростає.

Нагрівання

Залежність швидкості хімічної реакції від температури пояснюється молекулярно-кінетичною теорією. Вона дозволяє провести розрахунок кількості зіткнень між молекулами реагентів за певних умов. Якщо озброїтись подібною інформацією, то за звичайних умов усі процеси мають протікати миттєво.

Але якщо розглянути конкретний приклад залежності швидкості реакції від температури, виявляється, що для взаємодії необхідно розірвати хімічні зв'язки між атомами, щоб з них утворилися нові речовини. Це потребує суттєвих витрат енергії. Яка залежність швидкості реакції від температури? Енергія активації визначає можливість розриву молекул, вона характеризує реальність процесів. Її одиницями виміру є кДж/моль.

За недостатнього показника енергії зіткнення буде малоефективним, тому воно не супроводжується утворенням нової молекули.

Графічне уявлення

Залежність швидкості хімічної реакції від температури можна графічно. При нагріванні кількість зіткнень між частинками зростає, що сприяє прискоренню взаємодії.

Як виглядає графік залежності швидкості реакції від температури? По горизонталі відкладається енергія молекул, а вертикалі вказується число частинок, мають високий енергетичний запас. Графіком є ​​крива, якою можна будувати висновки про швидкості протікання конкретної взаємодії.

Чим більше відмінність енергії від середнього показника, тим далі розташовується від максимуму точка кривої, і менший відсоток молекул має такий запас енергії.

Важливі аспекти

Чи можна записати рівняння залежності константи швидкості реакції від температури? Її підвищення позначається збільшення швидкості процесу. Така залежність характеризується певною величиною, яка називається температурним коефіцієнтом швидкості процесу.

Для будь-якої взаємодії виявлено залежність константи швидкості реакції від температури. У разі підвищення на 10 градусів відбувається збільшення швидкості процесу в 2-4 разу.

Залежність швидкості гомогенних реакцій від температури можна у математичному вигляді.

Більшість взаємодій при кімнатної температурі коефіцієнт перебуває у діапазоні від 2 до 4. Наприклад, за значення температурного коефіцієнта 2,9 зростання температури на 100 градусів прискорює процес майже 50000 раз.

Залежність швидкості реакції від температури можна пояснити різною величиною енергії активації. Мінімальну величину вона має під час проведення іонних процесів, які визначаються лише взаємодією катіонів та аніонів. Численні експерименти свідчать про миттєве перебіг подібних реакцій.

При високому значенні енергії активації лише незначна кількість зіткнень між частинками призводитиме до здійснення взаємодії. При середньому значенні енергії активації реагенти будуть взаємодіяти з середньою швидкістю.

Завдання на залежність швидкості реакції від концентрації і температури розглядаються тільки на старшому ступені навчання, часто викликають у хлопців серйозні труднощі.

Вимірювання швидкості перебігу процесу

Ті процеси, які потребують значної енергії активації, передбачають початковий розрив чи ослаблення зв'язків між атомами у вихідних речовинах. При цьому відбувається їх перехід у певний проміжний стан, що називається активованим комплексом. Він є нестійким станом, що досить швидко розпадається на продукти реакції, процес супроводжується виділенням додаткової енергії.

У найпростішому варіанті активований комплекс є зміною атомів з ослабленими старими зв'язками.

Інгібітори та каталізатори

Проаналізуємо залежність швидкості ферментативної реакції від температури середовища. Такі речовини здійснюють функцію прискорювачів процесу.

Самі вони не є учасниками взаємодії, їхня кількість після завершення процесу залишається без змін. Якщо каталізатори сприяють збільшенню швидкості реакції, інгібітори, навпаки, уповільнюють цей процес.

Суть цього полягає у освіті проміжних сполук, у результаті і спостерігається зміна швидкості протікання процесу.

Висновок

У світі щохвилини відбуваються різноманітні хімічні взаємодії. Як встановити залежність швидкості реакції від температури? Рівняння Арреніуса є математичним поясненням зв'язку константи швидкості та температури. Воно дає уявлення про ті значення енергії активації, при яких можливе руйнування або ослаблення зв'язків між атомами в молекулах, розподіл частинок в нові хімічні речовини.

Завдяки молекулярно-кінетичній теорії можна передбачати можливість перебігу взаємодій між вихідними компонентами, розраховувати швидкість протікання процесу. Серед тих факторів, які впливають на швидкість реакції, особливе значеннямає зміну температурного показника, процентної концентрації взаємодіючих речовин, площу поверхні зіткнення, присутність каталізатора (інгібітора), а також природа компонентів, що взаємодіють.

Хімічна реакція - це перетворення одних речовин на інші.

До якого типу не належали хімічні реакції, вони здійснюються з різною швидкістю. Наприклад, геохімічні перетворення в надрах Землі (освіта кристалогідратів, гідроліз солей, синтез або розкладання мінералів) протікають тисячі, мільйони років. А такі реакції, як горіння пороху, водню, селітр, бертолетової солі відбуваються протягом часток секунд.

Під швидкістю хімічної реакції розуміється зміна кількостей речовин, що реагують (або продуктів реакції) в одиницю часу. Найчастіше використовується поняття середньої швидкості реакції (Δc p) в інтервалі часу.

v ср = ± ∆C/∆t

Для продуктів ∆С > 0, для вихідних речовин -∆С< 0. Наиболее употребляемая единица измерения - моль на литр в секунду (моль/л*с).

Швидкість кожної хімічної реакції залежить від багатьох факторів: від природи реагуючих речовин, концентрації реагуючих речовин, зміні температури реакції, ступеня подрібненості реагуючих речовин, зміні тиску, введення в середу реакції каталізатора.

Природа реагуючих речовин істотно впливає швидкість хімічної реакції. Як приклад розглянемо взаємодію деяких металів із постійним компонентом - водою. Визначимо метали: Na, Са, Аl, Аu. Натрій реагує з водою за нормальної температури дуже бурхливо, з виділенням великої кількості теплоти.

2Na + 2H 2 O = 2NaOH + H 2 + Q;

Менш енергійно при звичайній температурі реагує з водою кальцій:

Са + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + H 2 + Q;

Алюміній реагує з водою вже за підвищеної температури:

2Аl + 6Н 2 О = 2Аl(ОН)з + ДН 2 - Q;

А золото - один з неактивних металів, з водою ні за звичайної, ні за підвищеної температури не реагує.

Швидкість хімічної реакції знаходиться у прямій залежності від концентрації реагуючих речовин . Так, для реакції:

C 2 H 4 + 3O 2 = 2CO 2 + 2Н2О;

Вираз швидкості реакції має вигляд:

v = k ** [Про 2] 3;

Де k - константа швидкості хімічної реакції, чисельно рівна швидкості даної реакції за умови, що концентрації компонентів, що реагують, рівні 1 г/моль; величини [З 2 Н 4 ] і [Про 2 ] 3 відповідають концентраціям реагуючих речовин, зведені в ступінь їх стехіометричних коефіцієнтів. Чим більша концентрація [С 2 Н 4 ] або [О 2 ], тим більша в одиницю часу зіткнень молекул даних речовин, отже більша швидкість хімічної реакції.

Швидкості хімічних реакцій, як правило, знаходяться також у прямій залежності від температури реакції . Звичайно, при збільшенні температури кінетична енергія молекул зростає, що так само призводить до великих зіткнень молекул в одиницю часу. Численні досліди показали, що при зміні температури на кожні 10 градусів швидкість реакції змінюється в 2-4 рази (правило Вант-Гоффа):

де V T 2 - швидкість хімічної реакції при Т 2; V ti - швидкість хімічної реакції при T1; g-температурний коефіцієнт швидкості реакції.

Вплив ступеня подрібненості речовин на швидкість реакції так само перебуває у прямій залежності. Чим у дрібнішому стані знаходяться частинки реагуючих речовин, тим більшою мірою вони стикаються один з одним в одиницю часу, тим більше швидкість хімічної реакції. Тому, зазвичай, реакції між газоподібними речовинами чи розчинами протікають швидше, ніж у твердому стані.

Зміна тиску впливає швидкість реакції між речовинами, що у газоподібному стані. Перебуваючи в замкнутому об'ємі при постійній температурі, реакція протікає зі швидкістю V 1. Якщо в даній системі ми підвищимо тиск (отже, зменшимо об'єм), концентрації реагуючих речовин зростуть, збільшиться зіткнення їх молекул в одиницю часу, швидкість реакції підвищиться до V 2 (v 2 > v 1).

Каталізатори - Це речовини, що змінюють швидкість хімічної реакції, але залишаються незмінними після того, як хімічна реакція закінчується. Вплив каталізаторів на швидкість реакції називається каталізом, Каталізатори можуть прискорювати хіміко-динамічний процес, так і уповільнювати його. Коли речовини, що взаємодіють, і каталізатор знаходяться в одному агрегатному стані, то говорять про гомогенний каталіз, а при гетерогенному каталізі реагуючі речовини і каталізатор знаходяться в різних агрегатних станах. Каталізатор із реагентами утворює проміжний комплекс. Наприклад, для реакції:

Каталізатор (К) утворює комплекс з А або В - АК, ВК, який вивільняє при взаємодії з вільною частинкою А або В:

АК + В = АВ + К

ВК + А = ВА + К;

сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.

7.1. Гомогенні та гетерогенні реакції

Хімічні речовини можуть бути в різних агрегатних станах, при цьому їх хімічні властивості в різних станах однакові, проте активність відрізняється (що на минулій лекції було показано на прикладі теплового ефекту хімічної реакції).

Розглянемо різні комбінації агрегатних станів, у яких можуть бути дві речовини А і Б.

Фазою називається область хімічної системи, в межах якої всі властивості системи постійні (однакові) або постійно змінюються від точки до точки. Окремими фазами є кожна з твердих речовин, крім того існують фази розчину та газу.

Гомогенною називається хімічна система, В якій всі речовини знаходяться в одній фазі (у розчині або газі). Якщо фаз кілька, то система називається

гетерогенної.

Відповідно хімічна реакціяназивається гомогенною, якщо реагенти знаходяться в одній фазі. Якщо реагенти перебувають у різних фазах, то хімічна реакціяназивається гетерогенною.

Неважко зрозуміти, що оскільки виникнення хімічної реакції потрібен контакт реагентів, то гомогенна реакція відбувається одночасно у всьому обсязі розчину або реакційної судини, тоді як гетерогенна реакція відбувається на вузькій межі між фазами - на поверхні розділу фаз. Таким чином, суто теоретично гомогенна реакція відбувається швидше, ніж гетерогенна.

Таким чином, ми переходимо до поняття швидкість хімічної реакції.

Швидкість хімічної реакції. Закон чинних мас. Хімічна рівновага.

7.2. Швидкість хімічної реакції

Розділ хімії, який вивчає швидкості та механізми хімічних реакцій є розділом фізичної хімії та називається хімічною кінетикою.

Швидкістю хімічної реакціїназивається зміна кількості речовини в одиницю часу в одиниці об'єму системи, що реагує (для гомогенної реакції) або на одиниці площі поверхні (для гетерогенної реакції).

Відношення зміни кількості речовини до обсягу системи можна інтерпретувати як зміну концентрації цієї речовини.

Зазначимо, що з реагентів у записи висловлювання для швидкості хімічної реакції ставлять знак «мінус», оскільки концентрація реагентів зменшується, а швидкість хімічної реакції – взагалі величина позитивна.

Подальші висновки базуються на простих фізичних міркуваннях, які розглядають хімічну реакцію як наслідок взаємодії кількох частинок.

Елементарною (або простою) називають хімічну реакцію, що відбувається в одну стадію. Якщо стадій кілька, то подібні реакції називають складними або складовими, або брутто-реакціями.

В 1867 для опису швидкості хімічної реакції був запропонований закон чинних мас: швидкість елементарної хімічної реакції пропорційна концентраціям реагуючих речовин у степенях стехіометричних коефіцієнтів.n A +m B P,

A, B – реагенти, P – продукти, n, m – коефіцієнти.

W = k n m

Коефіцієнт k називається константою швидкості хімічної реакції,

характеризує природу взаємодіючих частинок і залежить від концентрації частинок.

Швидкість хімічної реакції. Закон чинних мас. Хімічна рівновага. Величини n ім називаються порядком реакції по речовиніА та B відповідно, а

їхня сума (n +m ) – порядком реакції.

Для елементарних реакцій порядок реакції може бути 1, 2 та 3.

Елементарні реакції з порядком 1 називають мономолекулярними, з порядком 2 – бімолекулярними, з порядком 3 – тримолекулярними за кількістю молекул, що беруть участь. Елементарних реакцій вище за третій порядок невідомо – розрахунки показують, що одночасна зустріч чотирьох молекул в одній точці надто неймовірна подія.

Оскільки складна реакція складається з деякої послідовності елементарних реакцій, її швидкість може бути виражена через швидкості окремих стадій реакції. Тому для складних реакцій порядок може бути будь-яким , у тому числі, дробовим або нульовим (нульовий порядок реакції говорить про те, що реакція відбувається з постійною швидкістю і не залежить від концентрації частинок реагуючих W = k ).

Найповільнішу зі стадій складного процесу зазвичай називають лімітує стадією (швидкість лімітуючої стадією).

Уявіть собі, що багато молекул пішли у безкоштовний кінотеатр, але на вході стоїть контролер, який перевіряє вік кожної молекули. Тож у двері кінотеатру заходить потік речовини, а кінозал молекули проникають по одній, тобто. дуже повільно.

Прикладами елементарних реакцій першого порядку є процеси термічного або радіоактивного розпаду, відповідно константа швидкості k характеризує або можливість розриву хімічного зв'язку, або можливість розпаду в одиницю часу.

Прикладів елементарних реакцій другого порядку дуже багато – це найбільш звичний нам спосіб перебігу реакцій – частка А налетіла на частку B, відбулося якесь перетворення і щось там вийшло (зверніть увагу, що продукти теоретично ні на що не впливають – вся увага) приділяється тільки реагує частинок).

Навпаки, елементарних реакцій третього порядку досить мало, оскільки трьом часткам одночасно зустрітися вдається досить рідко.

Як ілюстрацію подивимося передбачувану силу хімічної кінетики.

Швидкість хімічної реакції. Закон чинних мас. Хімічна рівновага.

Кінетичне рівняння першого порядку

(Ілюстративний додатковий матеріал)

Розглянемо гомогенну реакцію першого порядку, константа швидкості якої дорівнює k, початкова концентрація речовини A дорівнює [A]0.

Для цілей нашого курсу цей висновок носить ознайомлювальний характер, щоб продемонструвати Вам застосування математичного апарату для розрахунку ходу хімічної реакції. Отже, грамотний хімік неспроможна знати математику. Вчіть математику!

Швидкість хімічної реакції. Закон чинних мас. Хімічна рівновага. Графік залежності концентрації реагентів та продуктів від часу може бути якісно зображений наступним чином (на прикладі незворотної реакції першого порядку)

Чинники, що впливають на швидкість реакції

1. Природа реагуючих речовин

Наприклад, швидкість реакції наступних речовин: H2 SO4 , CH3 COOH, H2 S, CH3 OH - з гідроксид-іоном буде різнитися залежно від міцності зв'язку H-O. Для оцінки міцності цього зв'язку можна використовувати величину відносного позитивного заряду на атомі водню: що більше заряд, то легше буде реакція.

2. Температура

Життєвий досвід підказує нам, що швидкість реакції від температури залежить і збільшується із зростанням температури. Наприклад, процес скисання молока швидше відбувається за кімнатної температури, а не в холодильнику.

Звернемося до математичного виразу закону мас.

W = k n m

Якщо ліва частина цього виразу (швидкість реакції) від температури залежить, отже, права частина виразу також залежить від температури. При цьому концентрація, зрозуміло, від температури не залежить: наприклад молоко зберігає свою жирність 2,5% і в холодильнику, і при кімнатній температурі. Тоді, як казав Шерлок Холмс рішення, що залишилося, і є вірним, яким би дивним воно не здавалося: від температури залежить константа швидкості!

Швидкість хімічної реакції. Закон чинних мас. Хімічна рівновага. Залежність константи швидкості реакції від температури виражається у вигляді рівняння Аррениуса:

− E a

k = k0 eRT,

в якому

R = 8,314 Дж · моль-1 · К-1 - універсальна газова постійна,

E a – енергія активації реакції (див. нижче), її умовно вважають незалежної від температури;

k 0 - передекспоненційний множник (тобто множник, який стоїть перед експонентою e), величина якого теж майже не залежить від температури і визначається, в першу чергу, порядком реакції.

Так, величина k0 становить приблизно реакції першого порядку 1013 с-1 , реакції другого порядку – 10 -10 л·моль-1 ·с-1 ,

для реакції третього порядку - 10 -33 л2 · моль-2 · с-1. Ці значення запам'ятовувати необов'язково.

Точні значення k0 кожної реакції визначають експериментально.

Поняття енергії активації стає зрозумілим з наступного малюнка. Фактично енергія активації є енергією, якою повинна мати реагуюча частка, для того, щоб реакція відбулася.

При цьому, якщо ми нагріваємо систему, то енергія частинок підвищується (пунктирний графік), тоді як перехідний стан (≠) залишається на колишньому рівні. Різниця в енергії між перехідним станом та реагентами (енергія активації) скорочується, а швидкість реакції відповідно до рівняння Арреніуса зростає.

Швидкість хімічної реакції. Закон чинних мас. Хімічна рівновага. Крім рівняння Арреніуса, існує рівняння Вант-Гоффа, яке

характеризує залежність швидкості реакції від температури за допомогою температурного коефіцієнта:

Температурний коефіцієнт γ показує, скільки разів зросте швидкість хімічної реакції при зміні температури на 10o .

Рівняння Вант-Гоффа:

T 2− T 1

W (T 2 )= W (T 1 )× γ10

Зазвичай коефіцієнт γ знаходиться в діапазоні від 2 до 4. З цієї причини хіміки часто користуються наближенням, що збільшення температури на 20° призводить до зростання швидкості реакції на порядок (тобто в 10 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 .

У житті ми стикаємося із різними хімічними реакціями. Одні з них, як іржавіння заліза, можуть тривати кілька років. Інші, наприклад, зброджування цукру на спирт, - кілька тижнів. Дрова в печі згоряють за кілька годин, а бензин у двигуні - за частку секунди.

Щоб зменшити витрати на обладнання, на хімічних заводах збільшують швидкість реакцій. А деякі процеси, наприклад, псування харчових продуктів, корозію металів - треба сповільнити.

Швидкість хімічної реакціїможна висловити як зміна кількості речовини (n, за модулем) в одиницю часу (t) - порівняйте швидкість тіла, що рухається у фізиці як зміна координат в одиницю часу: υ = Δx/Δt . Щоб швидкість не залежала від об'єму судини, в якій протікає реакція, ділимо вираз на об'єм реагуючих речовин (v), тобто отримуємозміна кількості речовини в одиницю часу в одиниці об'єму, або зміна концентрації однієї з речовин в одиницю часу:

де c = n/v - концентрація речовини,

Δ (читається «дельта») – загальноприйняте позначення зміни величини.

Якщо в рівнянні речовин різні коефіцієнти, швидкість реакції для кожного з них, розрахована за цією формулою буде різною. Наприклад, 2 моль сірчистого газу прореагували повністю з 1 моль кисню за 10 секунд в 1 літрі:

2SO 2 + O 2 = 2SO 3

Швидкість по кисню буде: υ = 1: (10 1) = 0,1 моль/л·с

Швидкість по сірчистому газу: υ = 2: (10 1) = 0,2 моль/л·с- це не потрібно запам'ятовувати та говорити на іспиті, приклад наведений для того, щоб не плутатися, якщо виникне це питання.

Швидкість гетерогенних реакцій (за участю твердих речовин) часто виражають на одиницю площі поверхонь, що стикаються:

Гетерогенними називаються реакції, коли реагуючі речовини перебувають у різних фазах:

• тверда речовина з іншим твердим, рідиною або газом,
• дві рідини, що не змішуються,
• рідина із газом.

Гомогенні реакції протікають між речовинами в одній фазі:

• між добре змішуються рідинами,
• газами,
• речовинами у розчинах.

Умови, що впливають на швидкість хімічних реакцій

1) Швидкість реакції залежить від природи реагуючих речовин. Простіше кажучи, різні речовини реагують із різною швидкістю. Наприклад, цинк бурхливо реагує із соляною кислотою, а залізо досить повільне.

2) Швидкість реакції тим більше, що вище концентраціяречовин. З сильно розведеною кислотою цинк буде реагувати значно довше.

3) Швидкість реакції значно підвищується із підвищенням температури. Наприклад, горіння палива необхідно його підпалити, т. е. підвищити температуру. Для багатьох реакцій підвищення температури на 10 ° C супроводжується збільшенням швидкості 2-4 рази.

4) Швидкість гетерогеннихреакцій збільшується із збільшенням поверхні реагуючих речовин. Тверді речовини при цьому зазвичай подрібнюють. Наприклад, щоб порошки заліза і сірки при нагріванні вступили в реакцію, залізо має бути у вигляді дрібної тирси.

Зверніть увагу, що в даному випадку мається на увазі формула (1)! Формула (2) виражає швидкість на одиниці площі, отже, не може залежати від площі.

5) Швидкість реакції залежить від наявності каталізаторів чи інгібіторів.

Каталізатори- Речовини, що прискорюють хімічні реакції, але самі при цьому не витрачаються. Приклад - бурхливе розкладання перекису водню при додаванні каталізатора - оксиду марганцю (IV):

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2

Оксид марганцю (IV) залишається на дні, його можна використати повторно.

Інгібітори- Речовини, що уповільнюють реакцію. Наприклад, для продовження терміну служби труб та батарей у систему водяного опалення додають інгібітори корозії. В автомобілях інгібітори корозії додаються в гальмівну рідину, що охолоджує.

Ще кілька прикладів.