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

Здійснення ланцюгової реакції поділу ядер Тепер постало 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

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

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 дивну річ: удар лунає не тоді, коли сокира врізається в дерево або

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

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

Основні поняття, що вивчаються:

Швидкість хімічних реакцій

Молярна концентрація

Кінетика

Гомогенні та гетерогенні реакції

Чинники, що впливають на швидкість хімічних реакцій

Каталізатор, інгібітор

Каталіз

Зворотні та незворотні реакції

Хімічна рівновага

Хімічні реакції – це реакції, у яких з одних речовин виходять інші (з вихідних речовин утворюються нові речовини). Одні хімічні реакції протікають за частки секунди (вибух), інші – за хвилини, дні, роки, десятиліття тощо.

Наприклад: миттєво із запаленням і вибухом відбувається реакція горіння пороху, а реакція потемніння срібла або іржавіння заліза (корозія) йде так повільно, що простежити за її результатом можна лише після тривалого часу.

Для характеристики швидкості хімічної реакції використовують поняття швидкості хімічної реакції -.

Швидкість хімічної реакції- Це зміна концентрації однієї з реагуючих речовин реакції в одиницю часу.

Формула обчислення швидкості хімічної реакції:

з 1 – молярна концентрація речовини у початковий момент часу t 1

з 2 – молярна концентрація речовини у початковий момент часу t 2

Оскільки швидкість хімічної реакції характеризується зміною молярної концентрації реагуючих речовин (початкових речовин), то t 2 > t 1 , і з 2 > з 1 (концентрація вихідних речовин зменшується у міру протікання реакції).

Молярна концентрація (с)- Це кількість речовини в одиниці об'єму. Одиниця виміру молярної концентрації - [моль/л].

Розділ хімії, що вивчає швидкість хімічних реакцій, називається хімічною кінетикою. Знаючи її закони, людина може керувати хімічними процесами, задавати їм певну швидкість.

При розрахунку швидкості хімічної реакції необхідно пам'ятати, що реакції поділяються на гомогенні та гетерогенні.

Гомогенні реакції- Реакції, які протікають в одному середовищі (тобто реагуючі речовини знаходяться в однаковому агрегатному стані; наприклад: газ + газ, рідина + рідина).

Гетерогенні реакції- Це реакції, що протікають між речовинами в неоднорідному середовищі (є поверхня розділу фаз, тобто реагуючі речовини знаходяться в різному агрегатному стані; наприклад: газ + рідина, рідина + тверда речовина).

Ця формула розрахунку швидкості хімічної реакції справедлива лише для гомогенних реакцій. Якщо реакція гетерогенна, то вона може йти тільки на поверхні розділу речовин, що реагують.

Для гетерогенної реакції швидкість обчислюється за такою формулою:

∆ν – зміна кількості речовини

S – площа поверхні поділу фаз

∆t – проміжок часу, за який проходила реакція

Швидкість хімічних реакцій залежить від різних факторів: природи речовин, що реагують, концентрації речовин, температури, каталізаторів або інгібіторів.

Залежність швидкості реакцій від природи речовин, що реагують.

Розберемо цю залежність швидкості реакції на прикладі: опустимо у дві пробірки, в яких знаходиться однакова кількість розчину соляної кислоти (HCl), однакові за площею гранули металів: у першу пробірку гранулу заліза (Fe), а в другу – гранулу магнію (Mg). В результаті спостережень, за швидкістю виділення водню (Н 2), можна помітити, що з найбільшою швидкістю із соляною кислотою реагує магній, ніж залізо. На швидкість цієї хімічної реакції впливає природа металу (тобто. магній більш хімічно активний метал, ніж залізо, і тому енергійніше взаємодіє з кислотою).

Залежність швидкості хімічних реакцій від концентрації речовин, що реагують.

Що концентрація реагує (вихідного) речовини, то швидше протікає реакція. І навпаки, що менше концентрація реагує речовини, то повільніше йде реакція.

Наприклад: наллємо в одну пробірку концентрований розчин соляної кислоти (HCl), а в іншу – розведений розчин соляної кислоти. Покладемо в обидві пробірки гранулою цинку (Zn). Поспостерігаємо, за швидкістю виділення водню, що реакція швидше піде у першій пробірці, т.к. концентрація соляної кислоти у ній більше, ніж у другій пробірці.

Для визначення залежності швидкості хімічної реакції застосовують закон дії (діючих) мас : швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих у ступенях, що дорівнюють їх коефіцієнтам.

Наприклад, для реакції, що протікає за схемою: nA + mB → D , швидкість хімічної реакції визначають за формулою:

х.р. = k · C (A) n · C (B) m де

υ х.р - швидкість хімічної реакції

C (A) – А

C (В) – молярна концентрація речовиниУ

n та m – їх коефіцієнти

k – константа швидкості хімічної реакції (довідкова величина).

Закон дії мас не поширюється на речовини, що у твердому стані, т.к. їх концентрація стала (внаслідок того, що вони реагують лише на поверхні, що залишається незмінною).

Наприклад: для реакції 2 Cu + O 2 = 2CuO швидкість реакції визначають за формулою:

х.р. = k · C (O 2)

ЗАВДАННЯ: Константа швидкості реакції 2А + В = D дорівнює 0,005. обчислити швидкість реакції при молярній концентрації речовини А = 0,6 моль/л, речовини = 0,8 моль/л.

Залежність швидкості хімічної реакції від температури.

Ця залежність визначається правилом Вант - Гоффа (1884г.): зі збільшенням температура кожні 10 З про швидкість хімічної реакції збільшується загалом у 2 – 4 разу.

Так, взаємодія водню (Н 2) та кисню (Про 2) при кімнатній температурі майже не відбувається, така мала швидкість цієї хімічної реакції. Але при температурі 500 ° С ця реакція протікає за 50 хвилин, а при температурі 700 ° С – майже миттєво.

Формула розрахунку швидкості хімічної реакції за правилом Вант - Гоффа:

де: t 1 і t 2 - швидкості хімічних реакцій при t 2 і t 1

γ – температурний коефіцієнт, який показує у скільки разів збільшується швидкість реакції з підвищенням температури на 10 о.

Зміна швидкості реакції:

2. Підставимо дані з умови завдання до формули:

Залежність швидкості реакцій від спеціальних речовин – каталізаторів та інгібіторів.

Каталізатор- Речовина, яка збільшує швидкість хімічної реакції, але сама в ній не бере участі.

Інгібітор- Речовина, що уповільнює хімічну реакцію, але сама в ній не беруть участь.

Приклад: в пробірку з розчином 3% перекису водню (Н 2 Про 2), яку нагріли, внесемо тліє скіпку - вона не загориться, т.к. швидкість реакції розкладання перекису водню на воду (Н 2 Про) і кисень (Про 2) дуже мала, і кисню, що утворився, недостатньо для проведення якісної реакції на кисень (підтримання горіння). Тепер внесемо в пробірку трохи чорного порошку оксиду марганцю (IV) (MnO 2) і побачимо, що почалося бурхливе виділення бульбашок газу (кисню), а внесена в пробірку лучина, що тліє, яскраво спалахує. MnO 2 - каталізатор даної реакції, він прискорив швидкість реакції, але сам у ній не брав участі (це можна довести зваживши каталізатор до і після проведення реакції - його маса не зміниться).

Швидкість хімічної реакції залежить від багатьох факторів, включаючи природу речовин, що реагують, концентрацію реагуючих речовин, температуру, наявність каталізаторів. Розглянемо ці чинники.

1). Природа реагуючих речовин. Якщо йде взаємодія між речовинами з іонним зв'язком, то реакція протікає швидше, ніж між речовинами з ковалентним зв'язком.

2.) Концентрація реагуючих речовин. Щоб пройшла хімічна реакція, потрібне зіткнення молекул реагуючих речовин. Тобто молекули повинні настільки близько підійти одна до одної, щоб атоми однієї частки відчували на собі дію електричних полів іншої. Тільки в цьому випадку будуть можливі переходи електронів та відповідні перегрупування атомів, у яких утворюються молекули нових речовин. Таким чином, швидкість хімічних реакцій пропорційна числу зіткнень, що відбувається між молекулами, а кількість зіткнень, у свою чергу, пропорційна концентрації речовин, що реагують. На підставі експериментального матеріалу норвезькі вчені Гульдберг і Вааге і незалежно від них російський учений Бекетов в 1867 сформулювали основний закон хімічної кінетики - закон чинних мас(ЗДМ): при постійній температурі швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у ступені їх стехіометричних коефіцієнтів. Для загального випадку:

закон діючих мас має вигляд:

Запис закону діючих мас для цієї реакції називають основним кінетичним рівнянням реакції. В основному кінетичному рівнянні k – константа швидкості реакції, яка залежить від природи реагуючих речовин та температури.

Більшість хімічних реакцій є оборотними. У ході таких реакцій продукти їх у міру накопичення реагують один з одним із утворенням вихідних речовин:

Швидкість прямої реакції:

Швидкість зворотної реакції:

У момент рівноваги:

Звідси закон діючих мас у стані рівноваги набуде вигляду:

,

де K - Константа рівноваги реакції.

3) Вплив температури на швидкість реакції. Швидкість хімічних реакцій, зазвичай, при перевищенні температури зростає. Розглянемо це з прикладу взаємодії водню з киснем.

2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О

При 20 0 З швидкість реакції практично дорівнює нулю і знадобилося б 54 млрд. років, щоб взаємодія пройшла 15%. При 500 0 З утворення води потрібно 50 хвилин, а при 700 0 З реакція протікає миттєво.

Залежність швидкості реакції від температури виражається правилом Вант-Гоффа: зі збільшенням температури на 10 про швидкість реакції збільшується у 2 – 4 рази. Правило Вант-Гоффа записується:

4) Вплив каталізаторів. Швидкість хімічних реакцій можна регулювати за допомогою каталізаторів– речовин, що змінюють швидкість реакції та залишаються після реакції у незмінному кількості. Зміна швидкості реакції у присутності каталізатора називається каталізом. Розрізняють позитивний(швидкість реакції збільшується) та негативний(Швидкість реакції зменшується) каталіз. Іноді каталізатор утворюється під час реакції, такі процеси називають автокаталітичними. Розрізняють гомогенний та гетерогенний каталіз.

При гомогенномукаталізатор каталізатор і реагуючі речовини знаходяться в одній фазі. Наприклад:

При гетерогенномукаталізатор каталізатор і реагуючі речовини знаходяться в різних фазах. Наприклад:

Гетерогенний каталіз пов'язаний із ферментативними процесами. Усі хімічні процеси, які у живих організмах, каталізуються ферментами, які є білки з певними спеціалізованими функціями. У розчинах, у яких йдуть ферментативні процеси, немає типового гетерогенного середовища, у зв'язку з відсутністю чітко вираженої поверхні поділу фаз. Такі процеси відносять до мікрогетерогенного 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 іn 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:

A + B → C + D

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 кількості молекул, 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 2 і 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 у пробірку з водяним розчином соляної кислоти. Алюміній – активний метал, 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, що нижче в таблиці Менделєєва знаходиться лужний метал, то швидше він реагує з водою, фтор серед усіх галогенів найшвидше реагує з газоподібним воднем тощо.

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 дотику реагуючих речовин: чим більша площа контакту реагентів, тим вища швидкість реакції

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

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.