Някои химични реакции протичат почти мигновено (експлозия на кислородно-водородна смес, йонообменни реакции във воден разтвор), други бързо (изгаряне на вещества, взаимодействие на цинк с киселина), трети бавно (ръждясване на желязо, гниене на органични остатъци ). Известно е, че реакциите са толкова бавни, че човек просто не може да ги забележи. Например, трансформацията на гранит в пясък и глина се случва в продължение на хиляди години.

С други думи, химичните реакции могат да протичат с различни скорост.

Но какво е то бърза реакция? Какво е като точно определениена дадено количество и, най-важното, неговия математически израз?

Скоростта на реакцията е промяната в количеството вещество за единица време в единица обем. Математически този израз се записва като:

Където н 1 Ин 2 – количество вещество (mol) в момент t 1 и t 2, съответно, в система от обеми V.

Кой знак плюс или минус (±) ще се появи пред израза за скоростта зависи от това дали разглеждаме промяна в количеството на вещество - продукт или реагент.

Очевидно е, че по време на реакцията има консумация на реагенти, т.е. тяхното количество намалява, следователно за реагентите изразът (n 2 - n 1) винаги има значението по-малко от нула. Тъй като скоростта не може да бъде отрицателна стойност, в този случай трябва да поставите знак минус пред израза.

Ако разгледаме промяната в количеството на продукта, а не на реагента, тогава знакът минус не се изисква преди израза за изчисляване на скоростта, тъй като изразът (n 2 - n 1) в този случай винаги е положителен, защото количеството на продукта в резултат на реакцията може само да се увеличи.

Количествено съотношение на веществото нкъм обема, в който се намира това количество вещество, се нарича моларна концентрация СЪС:

По този начин, използвайки концепцията за моларна концентрация и нейния математически израз, можем да напишем друга опция за определяне на скоростта на реакцията:

Скоростта на реакцията е промяната в моларната концентрация на веществото в резултат на химическа реакцияза една единица време:

Фактори, влияещи върху скоростта на реакцията

Често е изключително важно да знаем какво определя скоростта на определена реакция и как да й повлияем. Например, нефтопреработвателната индустрия буквално се бори за всеки допълнителен половин процент продукт за единица време. В крайна сметка, предвид огромното количество преработен петрол, дори половин процент води до голяма финансова годишна печалба. В някои случаи е изключително важно да се забави някаква реакция, по-специално корозията на металите.

И така, от какво зависи скоростта на реакцията? Това зависи, колкото и да е странно, от много различни параметри.

За да разберем този въпрос, първо нека си представим какво се случва в резултат на химическа реакция, например:

A + B → C + D

Уравнението, написано по-горе, отразява процеса, при който молекулите на веществата A и B, сблъсквайки се една с друга, образуват молекули на веществата C и D.

Тоест несъмнено, за да протече реакцията, е необходим минимум сблъсък на молекулите на изходните вещества. Очевидно, ако увеличим броя на молекулите на единица обем, броят на сблъсъците ще се увеличи по същия начин, по който честотата на вашите сблъсъци с пътници в претъпкан автобус ще се увеличи в сравнение с полупразен.

С други думи, скоростта на реакцията нараства с увеличаване на концентрацията на реагентите.

В случай, че един или повече от реагентите са газове, скоростта на реакцията се увеличава с увеличаване на налягането, тъй като налягането на газа винаги е право пропорционално на концентрацията на съставните му молекули.

Сблъсъкът на частици обаче е необходимо, но съвсем не достатъчно условие за протичане на реакцията. Факт е, че според изчисленията броят на сблъсъците на молекулите на реагиращите вещества при тяхната разумна концентрация е толкова голям, че всички реакции трябва да се появят в един миг. На практика обаче това не се случва. Какъв е проблема?

Факт е, че не всеки сблъсък на реагентни молекули непременно ще бъде ефективен. Много сблъсъци са еластични - молекулите отскачат една от друга като топки. За да се осъществи реакция, молекулите трябва да имат достатъчна кинетична енергия. Минималната енергия, която трябва да притежават молекулите на реагиращите вещества, за да се осъществи реакцията, се нарича енергия на активиране и се означава с E a. В система, състояща се от големи количествамолекули, има разпределение на молекулите по енергия, някои от тях имат ниска енергия, някои имат висока и средна енергия. От всички тези молекули само малка част от молекулите имат енергия, по-голяма от енергията на активиране.

Както знаете от курса по физика, температурата всъщност е мярка за кинетичната енергия на частиците, които изграждат дадено вещество. Тоест, колкото по-бързо се движат частиците, които изграждат дадено вещество, толкова по-висока е неговата температура. Така, очевидно, чрез повишаване на температурата ние значително увеличаваме кинетичната енергия на молекулите, в резултат на което делът на молекулите с енергия, надвишаваща E a, се увеличава и техният сблъсък ще доведе до химическа реакция.

Фактът за положителния ефект на температурата върху скоростта на реакцията е емпирично установен от холандския химик Вант Хоф през 19 век. Въз основа на своите изследвания той формулира правило, което все още носи неговото име и звучи така:

Скоростта на всяка химическа реакция се увеличава 2-4 пъти с повишаване на температурата с 10 градуса.

Математически дисплей от това правилонаписан като:

Където V 2 И V 1 е скоростта при температури t 2 и t 1, съответно, и γ е температурният коефициент на реакцията, чиято стойност най-често е в диапазона от 2 до 4.

Често скоростта на много реакции може да се увеличи с помощта на катализатори.

Катализаторите са вещества, които ускоряват хода на реакцията, без да се изразходват.

Но как катализаторите увеличават скоростта на реакцията?

Нека си спомним за енергията на активиране E a. Молекулите с енергия, по-ниска от енергията на активиране в отсъствието на катализатор, не могат да взаимодействат една с друга. Катализаторите променят пътя, по който протича реакцията, точно както опитен водач ще насочи експедиция не директно през планината, а с помощта на обиколни пътеки, в резултат на което дори онези спътници, които не са имали достатъчно енергия да се изкачат планината ще може да се премести на друга нейна страна.

Въпреки факта, че катализаторът не се изразходва по време на реакцията, той все пак поема Активно участие, образувайки междинни съединения с реагентите, но до края на реакцията се връща в първоначалното си състояние.

В допълнение към горните фактори, влияещи върху скоростта на реакцията, ако има интерфейс между реагиращите вещества (хетерогенна реакция), скоростта на реакцията също ще зависи от контактната площ на реагентите. Например, представете си гранула от метален алуминий, която се пуска в епруветка, съдържаща воден разтвор на солна киселина. Алуминий – активен метал, който е способен да реагира с неокисляващи киселини. СЪС солна киселинаУравнението на реакцията е както следва:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

Алуминият е твърдо вещество, което означава, че реакцията със солна киселина протича само на повърхността му. Очевидно, ако увеличим повърхностната площ, като първо разточим алуминиевата гранула във фолио, по този начин ще осигурим голямо количествоалуминиеви атоми, достъпни за реакция с киселина. В резултат на това скоростта на реакцията ще се увеличи. По същия начин, увеличаването на повърхността на твърдото вещество може да се постигне чрез смилането му на прах.

Също така скоростта на хетерогенна реакция, при която твърдо вещество реагира с газообразно или течно вещество, често се влияе положително от разбъркване, което се дължи на факта, че в резултат на разбъркване натрупаните молекули на реакционните продукти се отстраняват от реакцията зона и се „внася“ нова порция молекули на реагентите.

И накрая, трябва да се отбележи огромното влияние върху скоростта на реакцията и природата на реагентите. Например, колкото по-ниско е в периодичната таблица алкален метал, колкото по-бързо реагира с вода, флуорът, сред всички халогени, реагира най-бързо с водороден газ и т.н.

Обобщавайки всичко по-горе, скоростта на реакцията зависи от следните фактори:

1) концентрация на реагентите: колкото по-висока е, толкова по-голяма е скоростта на реакцията

2) температура: с повишаване на температурата скоростта на всяка реакция се увеличава

3) контактна площ на реагентите: колкото по-голяма е контактната площ на реагентите, толкова по-висока е скоростта на реакцията

4) разбъркване, ако възникне реакция между твърдо вещество и течност или газ, разбъркването може да я ускори.

Химични методи

Физически методи

Методи за измерване скоростта на реакцията

В горния пример скоростта на реакцията между калциев карбонат и киселина беше измерена чрез изследване на обема на освободения газ като функция на времето. Експериментални данни за скоростта на реакцията могат да бъдат получени чрез измерване на други величини.

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

Някои реакции са придружени от промяна в броя на йоните в разтвора. В такива случаи скоростта на реакцията може да се изследва чрез измерване на електрическата проводимост на разтвора. Следващата глава ще разгледа някои други електрохимични техники, които могат да се използват за измерване на скоростта на реакцията.

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

Експерименталните изследвания показват, че скоростта на реакцията зависи от няколко фактора. Нека първо разгледаме влиянието на тези фактори на качествено ниво.

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

H + + OH – ® H 2 O

взаимодействие на соли с образуването на слабо разтворимо съединение

Ag + + Cl – ® AgCl

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

За разлика от йонните реакции, взаимодействията между ковалентно свързаните молекули обикновено протичат много по-бавно. Наистина, по време на реакцията между такива частици трябва да се разрушат връзките в молекулите на изходните вещества. За целта сблъскващите се молекули трябва да имат определено количество енергия. Освен това, ако молекулите са достатъчно сложни, за да възникне реакция между тях, те трябва да са ориентирани по определен начин в пространството.

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

3. Агрегатно състояние на веществата. В хомогенните системи скоростта на реакцията зависи от броя на сблъсъците на частиците обем на разтвора(или газ). В хетерогенните системи възниква химично взаимодействие на интерфейса. Увеличаването на повърхността на твърдото вещество, когато се раздробява, улеснява реагиращите частици да достигнат до частиците на твърдото вещество, което води до значително ускоряване на реакцията.

4. температураима значително влияние върху скоростта на различни химични и биологични процеси. С повишаване на температурата кинетичната енергия на частиците се увеличава и следователно делът на частиците, чиято енергия е достатъчна за химично взаимодействие, се увеличава.

5. Стеричен факторхарактеризира необходимостта от взаимна ориентация на реагиращите частици. Колкото по-сложни са молекулите, толкова по-малко вероятно е те да бъдат правилно ориентирани и толкова по-малко ефективни са сблъсъците.

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

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

Скорост на химическа реакция

Скорост на химическа реакция- промяна в количеството на едно от реагиращите вещества за единица време в единица реакционно пространство. Това е ключово понятие в химическата кинетика. Скоростта на химическата реакция винаги е положителна стойност, следователно, ако се определя от изходното вещество (концентрацията на което намалява по време на реакцията), тогава получената стойност се умножава по -1.

Например за реакцията:

изразът за скорост ще изглежда така:

. Скоростта на химическа реакция във всеки даден момент е пропорционална на концентрациите на реагентите, повишени до степени, равни на техните стехиометрични коефициенти.

За елементарни реакции показателят на концентрацията на всяко вещество често е равен на неговия стехиометричен коефициент; за сложните реакции това правило не се спазва. В допълнение към концентрацията, следните фактори влияят върху скоростта на химичната реакция:

• природата на реагентите,
• наличието на катализатор,
• температура (правило на Вант Хоф),
• налягане,
• повърхност на реагиращите вещества.

Ако разгледаме най-простата химическа реакция A + B → C, ще забележим това моменталноСкоростта на химичната реакция не е постоянна.

Литература

• Кубасов А. А. Химична кинетика и катализа.
• Пригожин И., Дефей Р. Химическа термодинамика. Новосибирск: Наука, 1966. 510 с.
• Яблонски Г.С., Биков В.И., Горбан А.Н., Кинетични модели на каталитични реакции, Новосибирск: Наука (Сиб. Отдел), 1983. - 255 с.

Фондация Уикимедия. 2010 г.

• Уелски диалекти на английски език
• Трион (серия от филми)

Вижте какво е „Скорост на химическа реакция“ в други речници:

СКОРОСТ НА ХИМИЧНАТА РЕАКЦИЯ- основна концепция химична кинетика. За прости хомогенни реакции скоростта на химичната реакция се измерва чрез промяната в броя на моловете на реагиралото вещество (при постоянен обем на системата) или чрез промяната в концентрацията на някое от изходните вещества... Голям енциклопедичен речник

СКОРОСТ НА ХИМИЧНАТА РЕАКЦИЯ- основната концепция на химията. кинетика, изразяваща съотношението на количеството реагирало вещество (в молове) към периода от време, през който е настъпило взаимодействието. Тъй като концентрациите на реагентите се променят по време на взаимодействие, скоростта обикновено е ... Голяма политехническа енциклопедия

скорост на химична реакция- величина, характеризираща интензивността на химичната реакция. Скоростта на образуване на реакционен продукт е количеството на този продукт в резултат на реакция за единица време за единица обем (ако реакцията е хомогенна) или за... ...

скорост на химична реакция- основната концепция на химичната кинетика. За прости хомогенни реакции скоростта на химичната реакция се измерва чрез промяната в броя на моловете на реагиралото вещество (при постоянен обем на системата) или чрез промяната в концентрацията на някое от изходните вещества... енциклопедичен речник

Скорост на химическа реакция- количество, характеризиращо интензивността на химическа реакция (вижте Химични реакции). Скоростта на образуване на реакционен продукт е количеството на този продукт в резултат на реакция за единица време на единица обем (ако... ...

СКОРОСТ НА ХИМИЧНАТА РЕАКЦИЯ- основен концепция за химия кинетика. За прости хомогенни реакции на S. x. Р. измерено чрез промяната в броя на реагиралите молове във va (при постоянен обем на системата) или чрез промяната в концентрацията на който и да е от първоначалните va или реакционни продукти (ако обемът на системата ...

МЕХАНИЗЪМ НА ХИМИЧНАТА РЕАКЦИЯ- За сложни реакции, състоящи се от няколко. етапи (прости или елементарни реакции), механизмът е набор от етапи, в резултат на които изходните материали се превръщат в продукти. Молекулите могат да действат като междинни продукти в тези реакции... ... Естествени науки. енциклопедичен речник

Реакции на нуклеофилно заместване- (англ. нуклеофилна реакция на заместване) реакции на заместване, при които атаката се извършва от нуклеофилен реагент, носещ несподелена електронна двойка. Напускащата група в реакциите на нуклеофилно заместване се нарича нуклеофуг. Всичко... Уикипедия

Химична реакция- превръщане на едни вещества в други, различни от първоначалните химичен съставили сграда. Общ бройатоми на всеки даден елемент, както и самите тях химически елементи, съставните вещества, остават в R. x. непроменен; този R. x... Велика съветска енциклопедия

скорост на рисуване- линейна скорост на движение на метала на изхода от матрицата, m/s. При съвременните чертожни машини скоростта на рисуване достига 50–80 m/s. Въпреки това, дори при теглене на тел, скоростта, като правило, не надвишава 30–40 m/s. В…… Енциклопедичен речник по металургия

Скорост на химическа реакция- промяна в количеството на едно от реагиращите вещества за единица време в единица реакционно пространство.

Скоростта на химичната реакция се влияе от следните фактори:

• естеството на реагиращите вещества;
• концентрация на реагенти;
• контактна повърхност на реагиращи вещества (при хетерогенни реакции);
• температура;
• действието на катализаторите.

Теория на активния сблъсъкни позволява да обясним влиянието на определени фактори върху скоростта на химичната реакция. Основните положения на тази теория:

• Реакциите възникват, когато частици от реагенти, които имат определена енергия, се сблъскат.
• Колкото повече реактивни частици има, колкото по-близо са една до друга, толкова по-вероятно е да се сблъскат и да реагират.
• Само ефективните сблъсъци водят до реакция, т.е. тези, при които „старите връзки” са разрушени или отслабени и следователно могат да се образуват „нови”. За целта частиците трябва да имат достатъчна енергия.
• Нарича се минималната излишна енергия, необходима за ефективен сблъсък на частиците на реагентите енергия на активиране Ea.
• Активността на химикалите се проявява в ниската енергия на активиране на реакциите, в които участват. Колкото по-ниска е енергията на активиране, толкова по-висока е скоростта на реакцията.Например при реакции между катиони и аниони енергията на активиране е много ниска, така че такива реакции се случват почти мигновено

Влиянието на концентрацията на реагентите върху скоростта на реакцията

С увеличаването на концентрацията на реагентите скоростта на реакцията се увеличава. За да настъпи реакция, две химически частици трябва да се съберат, така че скоростта на реакцията зависи от броя на сблъсъците между тях. Увеличаването на броя на частиците в даден обем води до по-чести сблъсъци и увеличаване на скоростта на реакцията.

Увеличаването на скоростта на реакцията в газовата фаза ще бъде резултат от повишаване на налягането или намаляване на обема, зает от сместа.

Въз основа на експериментални данни през 1867 г. норвежките учени К. Гулдберг и П. Вааге и независимо от тях през 1865 г. руският учен Н.И. Бекетов формулира основния закон на химичната кинетика, установявайки зависимост на скоростта на реакцията от концентрациите на реагентите -

Закон за масовото действие (LMA):

Скоростта на химичната реакция е пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества, взети в степени, равни на техните коефициенти в уравнението на реакцията. („ефективна маса“ е синоним модерна концепция"концентрация")

aA +bB =cС +дД,Където к– константа на скоростта на реакцията

ZDM се извършва само за елементарни химични реакции, протичащи в един етап. Ако реакцията протича последователно през няколко етапа, тогава общата скорост на целия процес се определя от най-бавната му част.

Изрази за скорости различни видовереакции

ZDM се отнася до хомогенни реакции. Ако реакцията е хетерогенна (реагентите са в различни агрегатни състояния), тогава ZDM уравнението включва само течни или само газообразни реагенти, а твърдите се изключват, засягайки само константата на скоростта k.

Молекулярност на реакциятае минималният брой молекули, участващи в елементарен химичен процес. Въз основа на молекулярността елементарните химични реакции се разделят на молекулярни (A →) и бимолекулни (A + B →); тримолекулярните реакции са изключително редки.

Скорост на хетерогенните реакции

• Зависи от повърхността на контакт между веществата, т.е. от степента на смилане на веществата и пълнотата на смесване на реагентите.
• Пример е изгарянето на дърва. Цял дънер гори относително бавно на въздух. Ако увеличите повърхността на контакт между дърво и въздух, разделяйки трупа на чипове, скоростта на горене ще се увеличи.
• Пирофорното желязо се изсипва върху лист филтърна хартия. По време на падането железните частици се нагорещяват и подпалват хартията.

Влияние на температурата върху скоростта на реакцията

През 19 век холандският учен Вант Хоф експериментално открива, че при повишаване на температурата с 10 o C скоростите на много реакции се увеличават 2-4 пъти.

Правилото на Вант Хоф

За всеки 10 ◦ C повишаване на температурата скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти.

Тук γ (гръцката буква "гама") - така нареченият температурен коефициент или коефициент на Ван Хоф, приема стойности от 2 до 4.

За всяка конкретна реакция температурният коефициент се определя експериментално. Той показва точно колко пъти скоростта на дадена химическа реакция (и нейната константа на скоростта) се увеличава с всеки 10 градуса повишаване на температурата.

Правилото на Вант Хоф се използва за приближаване на промяната в константата на скоростта на реакцията с повишаване или понижаване на температурата. По-точна връзка между константата на скоростта и температурата е установена от шведския химик Сванте Арениус:

как Повече ▼ E специфична реакция, т.н по-малко(при дадена температура) ще бъде константата на скоростта k (и скоростта) на тази реакция. Увеличаването на T води до увеличаване на константата на скоростта, което се обяснява с факта, че повишаването на температурата води до бързо увеличаване на броя на „енергийните“ молекули, способни да преодолеят активационната бариера Ea.

Влияние на катализатора върху скоростта на реакцията

Можете да промените скоростта на реакцията, като използвате специални вещества, които променят механизма на реакцията и я насочват по енергийно по-благоприятен път с по-ниска енергия на активиране.

Катализатори- това са вещества, които участват в химична реакция и увеличават нейната скорост, но в края на реакцията остават непроменени качествено и количествено.

инхибитори– вещества, които забавят химичните реакции.

Промяната на скоростта на химическа реакция или нейната посока с помощта на катализатор се нарича катализа .

Понятието „скорост“ се среща доста често в литературата. От физиката е известно, че колкото по-голямо е разстоянието на материално тяло (човек, влак, космически кораб) за определен период от време, толкова по-висока е скоростта на това тяло.

Как да измерим скоростта на химическа реакция, която „не отива никъде“ и не изминава никакво разстояние? За да отговорите на този въпрос, трябва да разберете какво Винагипромени в всякаквихимическа реакция? Тъй като всяка химическа реакция е процес на промяна на вещество, първоначалното вещество изчезва в него, превръщайки се в продукти на реакцията. Така по време на химическа реакция количеството на веществото винаги се променя, броят на частиците на изходните вещества намалява и следователно неговият концентрация (C).

Задача за единен държавен изпит.Скоростта на химичната реакция е пропорционална на промяната:

1. концентрация на вещество за единица време;
2. количество вещество на единица обем;
3. маса на веществото на единица обем;
4. обем на веществото по време на реакцията.

Сега сравнете вашия отговор с правилния:

скоростта на химичната реакция е равна на промяната в концентрацията на реагента за единица време

Където C 1И От 0- концентрации на реагентите, съответно крайна и начална; т 1И t 2- времето на експеримента, съответно крайния и началния период от време.

Въпрос.Коя стойност според вас е по-голяма: C 1или От 0? т 1или t 0?

Тъй като реагентите винаги се изразходват в дадена реакция, тогава

Следователно съотношението на тези величини винаги е отрицателно и скоростта не може да бъде отрицателна величина. Следователно във формулата се появява знак минус, което едновременно показва, че скоростта всякаквиреакции във времето (при постоянни условия) са винаги намалява.

И така, скоростта на химичната реакция е:

Възниква въпросът: в какви единици трябва да се измерва концентрацията на реагентите (C) и защо? За да му отговорите, трябва да разберете какво е условието основенза възникване на каквато и да е химическа реакция.

За да реагират частиците, те трябва поне да се сблъскат. Ето защо колкото по-голям е броят на частиците* (броят молове) на единица обем, толкова по-често се сблъскват, толкова по-голяма е вероятността от химическа реакция.

* Прочетете какво е „бенка“ в урок 29.1.

Следователно, когато измерват скоростите на химичните процеси, те използват моларна концентрациявещества в реагиращите смеси.

Моларната концентрация на дадено вещество показва колко мола от него се съдържат в 1 литър разтвор

И така, колкото по-голяма е моларната концентрация на реагиращите вещества, толкова повече частици има на единица обем, толкова по-често се сблъскват и толкова по-висока (при равни други условия) е скоростта на химичната реакция. Следователно основният закон на химичната кинетика (това е науката за скоростта на химичните реакции) е закон за масовото действие.

Скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите.

За реакция от тип A + B →... математически този закон може да се изрази, както следва:

Ако реакцията е по-сложна, например 2A + B → или, което е същото, A + A + B → ..., тогава

Така в уравнението на скоростта се появи експонента « две» , което съответства на коеф 2 в уравнението на реакцията. За още сложни уравненияПо правило не се използват големи експоненти. Това се дължи на факта, че вероятността от едновременен сблъсък на, да речем, три молекули A и две молекули B е изключително малка. Следователно много реакции протичат на няколко етапа, по време на които се сблъскват не повече от три частици и всеки етап от процеса протича с определена скорост. Тази скорост и уравнението на кинетичната скорост за нея се определят експериментално.

Горните уравнения за скоростта на химичната реакция (3) или (4) са валидни само за хомогененреакции, т.е. за такива реакции, когато реагиращите вещества не са разделени от повърхността. Например, протича реакция във воден разтвор и двата реагента са силно разтворими във вода или смес от газове.

Друг е въпросът кога се случва разнородниреакция. В този случай има интерфейс между реагиращите вещества, например въглероден диоксид газреагира с вода решениеалкали. В този случай всяка газова молекула е еднакво вероятно да реагира, тъй като тези молекули се движат бързо и хаотично. Какво ще кажете за частиците от течния разтвор? Тези частици се движат изключително бавно и онези алкални частици, които са „на дъното“, практически нямат шанс да реагират с въглероден диоксид, освен ако разтворът не се разбърква постоянно. Ще реагират само онези частици, които „лежат на повърхността“. Така че за разнородниреакции -

скоростта на реакцията зависи от размера на интерфейсната повърхност, която се увеличава с смилането.

Ето защо много често реагиращите вещества се раздробяват (например, разтварят се във вода), храната се дъвче старателно, а в процеса на готвене - се смила, преминава през месомелачка и т.н. Хранителен продукт, който не е натрошен, практически не се смилаем!

По този начин, с максимална скорост(при равни други условия) продължи хомогенни реакциив разтвори и между газове (ако тези газове реагират при условия на околната среда), и в разтвори, където молекулите са разположени „наблизо“ и смилането е същото като в газовете (и дори повече!), скоростта на реакцията е по-висока.

Задача за единен държавен изпит.Коя реакция протича най-бързо при стайна температура:

1. въглерод с кислород;
2. желязо със солна киселина;
3. желязо с разтвор на оцетна киселина
4. разтвори на алкали и сярна киселина.

В този случай трябва да откриете кой процес е хомогенен.

Трябва да се отбележи, че скоростта на химическа реакция между газове или хетерогенна реакция, в която участва газ, също зависи от налягането, тъй като с увеличаване на налягането газовете се компресират и концентрацията на частици се увеличава (виж формула 2). Скоростта на реакциите, в които не участват газове, не се влияе от промените в налягането.

Задача за единен държавен изпит.Скоростта на химичната реакция между киселинния разтвор и желязото не се влияе

1. концентрация на киселина;
2. шлайфане на желязо;
3. реакционна температура;
4. повишаване на налягането.

И накрая, скоростта на реакцията зависи и от реактивността на веществата. Например, ако кислородът реагира с вещество, тогава при равни други условия скоростта на реакцията ще бъде по-висока, отколкото когато същото вещество взаимодейства с азот. Факт е, че реактивността на кислорода е значително по-висока от тази на азота. Ще разгледаме причината за това явление в следващата част на урока (урок 14).

Задача за единен държавен изпит.Химическата реакция между солна киселина и

1. мед;
2. желязо;
3. магнезий;
4. цинк

Трябва да се отбележи, че не всеки сблъсък на молекули води до тяхното химично взаимодействие (химическа реакция). В газова смес от водород и кислород при нормални условия се случват няколко милиарда сблъсъка в секунда. Но първите признаци на реакцията (водни капчици) ще се появят в колбата едва след няколко години. В такива случаи казват, че реакцията на практика не работи. Но тя възможен, иначе как да обясним факта, че при нагряване на тази смес до 300 °C, колбата бързо се замъглява, а при температура от 700 °C ще настъпи ужасна експлозия! Не напразно сместа от водород и кислород се нарича "експлозивен газ".

Въпрос.Защо мислите, че скоростта на реакцията нараства толкова рязко при нагряване?

Скоростта на реакцията се увеличава, защото, първо, броят на сблъсъци на частици се увеличава, и второ, броят на активенсблъсъци. Именно активните сблъсъци на частици водят до тяхното взаимодействие. За да се случи такъв сблъсък, частиците трябва да имат определено количество енергия.

Енергията, която трябва да притежават частиците, за да се осъществи химическа реакция, се нарича енергия на активиране.

Тази енергия се изразходва за преодоляване на силите на отблъскване между външните електрони на атомите и молекулите и за разрушаване на "старите" химични връзки.

Възниква въпросът: как да се увеличи енергията на реагиращите частици? Отговорът е прост - увеличете температурата, тъй като с повишаване на температурата скоростта на движение на частиците се увеличава и следователно тяхната кинетична енергия.

правило Ван'т Хоф*:

При всяко повишаване на температурата с 10 градуса скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти.

VANT-HOFF Джейкъб Хендрик(30.08.1852–01.03.1911) - холандски химик. Един от основоположниците на физическата химия и стереохимията. Нобелова наградапо химия № 1 (1901).

Трябва да се отбележи, че това правило (а не закон!) е установено експериментално за реакции, които са „удобни“ за измерване, тоест за такива реакции, които не протичат нито твърде бързо, нито твърде бавно и при температури, достъпни за експериментатора (не твърде високо и не много ниско).

Въпрос. Според вас кой е най-бързият начин за готвене на картофи: варене или пържене в олио?

За да разберете правилно значението на описаните явления, можете да сравните реагиращите молекули с група ученици, които са на път да скочат високо. Ако им се даде бариера с височина 1 m, тогава учениците ще трябва да тичат нагоре (увеличат своята „температура“), за да преодолеят бариерата. Независимо от това, винаги ще има ученици („неактивни молекули“), които няма да могат да преодолеят тази бариера.

Какво да правя? Ако се придържате към принципа: „Умен човек няма да изкачи планина, умният човек ще заобиколи планината“, тогава трябва просто да свалите бариерата, да речем, до 40 см, тогава всеки ученик ще може да я преодолее бариера. На молекулярно ниво това означава: за да се увеличи скоростта на реакцията, е необходимо да се намали енергията на активиране в дадена система.

В реалните химични процеси тази функция се изпълнява от катализатор.

Катализаторе вещество, което променя скоростта на химическа реакция, докато остава непромененкъм края на химическата реакция.

Катализатор участвав химическа реакция, взаимодействайки с едно или повече изходни вещества. В този случай се образуват междинни съединения и се променя енергията на активиране. Ако междинният продукт е по-активен (активен комплекс), тогава енергията на активиране намалява и скоростта на реакцията се увеличава.

Например, реакцията между SO 2 и O 2 протича много бавно при нормални условия на практика не работи. Но в присъствието на NO, скоростта на реакцията се увеличава рязко. Първо НЕ много бързореагира с O2:

полученият азотен диоксид бързреагира със серен (IV) оксид:

Задача 5.1.Използвайки този пример, покажете кое вещество е катализатор и кое е активен комплекс.

Обратно, ако се образуват повече пасивни съединения, енергията на активиране може да се увеличи толкова много, че реакцията практически да не се случи при тези условия. Такива катализатори се наричат инхибитори.

В практиката се използват и двата вида катализатори. Така че специални органични катализатори - ензими- участват в абсолютно всички биохимични процеси: смилане на храната, мускулна контракция, дишане. Животът не може да съществува без ензими!

Инхибиторите са необходими за защита на метални продукти от корозия, съдържащи мазнини хранителни продуктиот окисление (гранясване). Някои лекарства също съдържат инхибитори, които потискат жизнените функции на микроорганизмите и по този начин ги унищожават.

Катализата може да бъде хомогенна или хетерогенна. Пример за хомогенна катализа е ефектът на NO (това е катализатор) върху окисляването на серен диоксид. Пример за хетерогенна катализа е действието на нагрята мед върху алкохол:

Тази реакция протича на два етапа:

Задача 5.2.Определете кое вещество е катализаторът в този случай? Защо този тип катализа се нарича хетерогенна?

В практиката най-често се използва хетерогенна катализа, където са катализаторите твърди вещества: метали, техните оксиди и др. На повърхността на тези вещества има специални точки (възли кристална решетка), където всъщност протича каталитичната реакция. Ако тези точки са покрити с чужди вещества, тогава катализът спира. Това вещество, вредно за катализатора, се нарича каталитична отрова. Други вещества - промоутъри- напротив, засилват каталитичната активност.

Катализаторът може да промени посоката на химическа реакция, тоест чрез промяна на катализатора можете да получите различни продукти на реакцията. Така от алкохола C 2 H 5 OH в присъствието на цинкови и алуминиеви оксиди може да се получи бутадиен, а в присъствието на концентрирана сярна киселина може да се получи етилен.

Така по време на химическа реакция енергията на системата се променя. Ако по време на реакцията се освобождава енергияпод формата на топлина Q, този процес се нарича екзотермичен:

За ендотоплинни процеси топлината се абсорбира, т.е термичен ефект Q< 0 .

Задача 5.3.Определете кой от предложените процеси е екзотермичен и кой е ендотермичен:

Уравнението на химична реакция, при която топлинен ефект, се нарича термохимично уравнение на реакцията. За да се създаде такова уравнение, е необходимо да се изчисли топлинният ефект на 1 мол от реагента.

Задача.При изгаряне на 6 g магнезий се отделя 153,5 kJ топлина. Напишете термохимично уравнение за тази реакция.

Решение.Нека да създадем уравнение за реакцията и да посочим ОТГОРЕ формулите, които са дадени:

След като съставим пропорцията, намираме желания топлинен ефект на реакцията:

Термохимичното уравнение за тази реакция е:

Такива задачи са дадени в задачите мнозинство Опции за единен държавен изпит! Например.

Задача за единен държавен изпит.Според уравнението на термохимичната реакция

количеството топлина, отделена при изгаряне на 8 g метан, е равно на:

Обратимост на химичните процеси. Принцип на Льо Шателие

* Льо Шателие Анри Луи(8.10.1850–17.09.1936) - френски физикохимик и металург. Формулиран общо правопромени в равновесието (1884).

Реакциите могат да бъдат обратими или необратими.

НеобратимоТова са реакции, за които няма условия, при които да е възможен обратният процес.

Пример за такива реакции са реакциите, които възникват при вкисване на млякото или при изгаряне вкусен котлет. Точно както е невъзможно да върнете каймата обратно през месомелачка (и да получите отново парче месо), също е невъзможно да „реанимирате“ котлет или да направите прясно мляко.

Но нека си зададем един прост въпрос: необратим ли е процесът?

За да отговорим на този въпрос, нека се опитаме да си спомним, възможно ли е да се извърши обратният процес? да Разлагането на варовик (креда) за получаване на негасена вар CaO се използва в промишлен мащаб:

По този начин реакцията е обратима, тъй като има условия, при които и дветепроцес:

Освен това има условия, при които скоростта на правата реакция е равна на скоростта на обратната реакция.

При тези условия се установява химично равновесие. По това време реакцията не спира, но броят на получените частици е равен на броя на разложените частици. Ето защо в състояние на химично равновесие концентрациите на реагиращите частици не се променят. Например за нашия процес в момента на химическо равновесие

знак означава равновесна концентрация.

Възниква въпросът какво ще се случи с равновесието, ако температурата се повиши или намали или се променят други условия? На този въпрос може да се отговори, като се знае Принцип на Льо Шателие:

ако промените условията (t, p, c), при които системата е в състояние на равновесие, тогава равновесието ще се измести към процеса, който се съпротивлява на промяната.

С други думи, равновесната система винаги се съпротивлява на всяко влияние отвън, точно както капризното дете, което прави „обратното“, се съпротивлява на волята на родителите си.

Нека разгледаме един пример. Нека се установи равновесие в реакцията, произвеждаща амоняк:

Въпроси.Еднакъв ли е броят молове на реагиращите газове преди и след реакцията? Ако протича реакция в затворен обем, кога налягането е по-голямо: преди или след реакцията?

Това е очевидно този процесвъзниква с намаляване на броя на газовите молекули, което означава наляганенамалява по време на директната реакция. IN обратенреакции - напротив, налягането в сместа се увеличава.

Нека се запитаме какво ще стане, ако в тази система нарастваналягане? Според принципа на Льо Шателие ще протече реакцията, която „прави обратното“, т.е. понижаваналягане. Това е директна реакция: по-малко газови молекули - по-малко налягане.

Така, принараства налягане, равновесието се измества към директния процес, къдетоналягането пада, тъй като броят на молекулите намалявагазове

Задача за единен държавен изпит.При нараствапромени в баланса на налягането точнов системата:

Ако в резултат на реакцията брой молекулигазовете не се променя, тогава промяната в налягането не влияе на равновесното положение.

Задача за единен държавен изпит.Промяната в налягането влияе върху изместването на равновесието в системата:

Равновесното положение на тази и всяка друга реакция зависи от концентрацията на реагиращите вещества: чрез увеличаване на концентрацията на изходните вещества и намаляване на концентрацията на получените вещества, ние винаги изместваме равновесието към директната реакция (вдясно).

Задача за единен държавен изпит.

ще се измести наляво, когато:

1. повишено кръвно налягане;
2. понижаване на температурата;
3. повишаване на концентрацията на CO;
4. намаляване на концентрацията на CO.

Процесът на синтез на амоняк е екзотермичен, т.е. придружен от отделяне на топлина, т.е покачване на температуратав сместа.

Въпрос.Как ще се измести равновесието в тази система, когато спад на температурата?

Като спорим по подобен начин, ние го правим заключение: при намаляване температура, равновесието ще се измести към образуването на амоняк, тъй като при тази реакция се отделя топлина и температуратасе издига.

Въпрос.Как се променя скоростта на химичната реакция при понижаване на температурата?

Очевидно с понижаването на температурата скоростта на двете реакции рязко ще намалее, т.е. ще трябва да изчакате много дълго време, за да се установи желаното равновесие. Какво да правя? В този случай е необходимо катализатор. Въпреки че той не влияе на равновесното положение, но ускорява настъпването на това състояние.

Задача за единен държавен изпит.Химично равновесие в системата

се измества към образуването на реакционния продукт, когато:

1. повишено кръвно налягане;
2. повишаване на температурата;
3. намаляване на налягането;
4. използване на катализатор.

заключения

Скоростта на химичната реакция зависи от:

• природата на реагиращите частици;
• концентрация или граница на повърхността на реагентите;
• температура;
• наличието на катализатор.

Равновесието се установява, когато скоростта на правата реакция е равна на скоростта на обратния процес. В този случай равновесната концентрация на реагентите не се променя. Състоянието на химичното равновесие зависи от условията и се подчинява на принципа на Le Chatelier.