Реакції - студопедія

Гомогенні - хімічні реакції, які протікають в гомогенних системах

Прикладами гомогенних реакцій є: а) горіння водню в кисні 2Н2 (г) + О2 (г) = 2Н2О (г) б) нейтралізація соляної кислоти водним розчином гідроксиду натрію HCl (pp) + NaOH (pp) = NaCl (pp) + H2O (pp) Очевидно, що ці реакції протікають у всьому обсязі реакційної системи.

Гетерогенні - хімічні реакції, які протікають в гетерогенних системах

Прикладами гетерогенних реакцій є: а) Горіння сірки в кисні S (тв) + O2 (г) = SO2 (г) Протікає на поверхні сірки б) взаємодія цинку з соляною кислотою Zn (тв) + 2HCl (р-р) = ZnCl2 ( р-р) + H2 Протікає на поверхні цинку.

Швидкість хімічної реакції - це зміна концентрації реагуючих речовин в одиницю часу.

При гомогенних реакціях простором реакції позначається обсяг реакційної посудини, а при гетерогенних - поверхня, на якій протікає реакція. Концентрацію реагуючих речовин зазвичай висловлюють в моль / л - кількість молей речовини в 1 літрі розчину.

Швидкість хімічної реакції залежить від природи реагуючих речовин, концентрації, температури, тиску, поверхні зіткнення речовин і її характеру, присутності каталізаторів.

Збільшення концентрації речовин, що вступають в хімічну взаємодію, призводить до збільшення швидкості хімічної реакції. Це відбувається тому, що всі хімічні реакції проходять між деякою кількістю реагують частками (атомами, молекулами, іонами). Чим більше цих частинок в обсязі реакційного простору, тим частіше вони соударяются і відбувається хімічна взаємодія. Хімічна реакція може протікати через один або кілька елементарних актів (зіткнень). На підставі рівняння реакції можна записати вираз залежності швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин. Якщо в елементарному акті бере участь лише одна молекула (при реакції розкладання), залежність буде мати такий вигляд:

Це рівняння мономолекулярної реакції. Коли в елементарному акті відбувається взаємодія двох різних молекул, залежність має вигляд:

Реакція називається бімолекулярний. У разі зіткнення трьох молекул справедливо вираз:

Реакція називається тримолекулярного. Позначення коефіцієнтів:

n - швидкість реакції;

[А], [В], [З] - концентрації реагуючих речовин;

k - коефіцієнт пропорційності; називається константою швидкості реакції.

Якщо концентрації реагуючих речовин дорівнюють одиниці (1 моль / л) або їх добуток дорівнює одиниці, то v = k. Константа швидкості залежить від природи реагуючих речовин і від температури. Залежність швидкості простих реакцій (т. Е. Реакцій, що протікають через один елементарний акт) від концентрації описується законом діючих мас: швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрації реагуючих речовин, зведених в ступінь їх стехіометричних коефіцієнтів.

Для прикладу розберемо реакцію 2NO + O2 = 2NO2.

У ній v = k * [NO] 2 * [O2]

У разі, коли рівняння хімічної реакції не відповідає елементарного акту взаємодії, а відображає лише зв'язок між масою вступили в реакцію і утворилися речовин, то ступеня у концентрації трохи будуть рівні коефіцієнтам, що стоять перед формулами відповідних речовин в рівнянні реакції. Для реакції, яка протікає в кілька стадій, швидкість реакції визначається швидкістю самої повільної (лімітуючої) стадії.

Така залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин справедлива для газів і реакцій, що проходять в розчині. Реакції за участю твердих речовин не підкоряються закону діючих мас, так як взаємодія молекул відбувається лише на поверхні розділу фаз. Отже, швидкість гетерогенної реакції залежить ще і від величини і характеру поверхні зіткнення реагуючих фаз. Чим більше поверхня - тим швидше буде йти реакція.

Закон діючих мас:

Маса речовин, що вступили в реакцію, дорівнює масі всіх продуктів реакції.

Закон діючих мас встановлює співвідношення між масами реагуючих речовин в хімічних реакціях при рівновазі, а також залежність швидкості хімічної реакції від концентрації вихідних речовин.

Константа швидкості реакції (питома швидкість реакції) - коефіцієнт пропорційності в кінетичному рівнянні.

Фізичний сенс константи швидкості реакції k випливає з рівняння закону діючих мас: k чисельно дорівнює швидкості реакції при концентрації кожного з реагуючих речовин дорівнює 1 моль / л.

Константа швидкості реакції залежить від температури, від природи реагуючих речовин, але не залежить від їх концентрації.

Вплив температури на швидкість хімічної реакції. Температурний коеф-фициент швидкості. Правило Вант-Гоффа. Вплив каталізаторів на швидкість хімічної реакції. Гомогенні і гетерогенні каталітичні реакції. Багатостадійність каталітичних реакцій. Інгібітори.

Швидкість більшості реакцій збільшується зі зростанням температури. так як при цьому зростає енергія частинок, що стикаються і підвищується ймовірність того, що при зіткненні відбудеться хімічне перетворення. Для кількісного опису температурних ефектів в хімічній кінетиці використовують два основних співвідношення - правило Вант-Гоффа і рівняння Арреніуса.

Правило Вант-Гоффа. при підвищенні температури на 10оС швидкість реакції зростає в 2-4 рази. Для характеристики залежності швидкості хімічної реакції від Т був введений температурний коефіцієнт швидкості реакції

де kT + 10 і kT - константи швидкості хімічної реакції при температурі Т + 10 і Т. В середньому цей коефіцієнт дорівнює 3. Отже, при зміні Т на 100оС швидкість реакції змінюється в 310 або 59049 раз.

E- Енергія активації в Дж / моль, R- газова стала, Т-температура в До, А- предекспонента (її розмірність збігається з розмірністю k).

Речовини, які беруть участь в реакціях і збільшують її швидкість, залишаючись до кінця реакції незмінними, називаються каталізаторами.

Явище зміни швидкості реакції під дією таких речовин називається катализом. Реакції, що протікають під дією каталізаторів, називаються каталітичними. У більшості випадків дія каталізатора пояснюється тим, що він знижує енергію активації реакції. У присутності каталізатора реакція проходить через інші проміжні стадії, ніж без нього, причому ці стадії енергетично більш доступні. Інакше кажучи, в присутності каталізатора виникають інші активовані комплекси, причому для їх утворення потрібно менше енергії, ніж для утворення активованих комплексів, що виникають без каталізатора. Таким чином, енергія активації різко знижується: деякі молекули, енергія яких була недостатня для активних зіткнень, тепер виявляються активними.

Для ряду реакцій проміжні сполуки вивчені; як правило, вони представляють собою досить активні нестійкі продукти.

Механізм дії каталізаторів пов'язаний зі зменшенням енергії активації реакції за рахунок утворення проміжних сполук. Каталозі можна представити таким чином: А + К = А. До А. К + В = АВ + К, де А. К - проміжне активований з'єднання.

У хімічній промисловості каталізатори застосовуються досить широко. Під впливом каталізаторів реакції можуть прискорюватися в мільйони разів і більше. У деяких випадках під дією каталізаторів можуть порушуватися такі реакції, які без них в даних умовах практично не протікають.

Розрізняють гомогенний і гетерогенний каталіз. У разі гомогенного каталізу каталізатор і реагуючі речовини утворюють одну фазу (газ або розчин). У разі гетерогенного каталізу каталізатор знаходиться в системі у вигляді самостійної фази.

Приклади гомогенного каталізу. 1) окислення SO2 + 1 / 2O2 = SO3 в присутності NO; NO легко окислюється до NO2, а NO2 вже окисляє SO2;

2) розкладання пероксиду водню у водному розчині на воду і кисень: іони Сг2О2 = 7, WO2-4, МоО2-4, що каталізують розкладання пероксиду водню, утворюють з ним проміжні сполуки, які далі розпадаються з виділенням кисню.

Гомогенний каталіз здійснюється через проміжні реакції з каталізатором, і в результаті відбувається заміна однієї реакції з високою енергією активації декількома, у яких енергії активації нижче, швидкість їх вище:

CO + 1 / 2O2 = CO2 (каталізатор - пари води).

Широке застосування в хімічній промисловості знаходить гетерогенний каталіз. Велика частина продукції, що виробляється в даний час цієї промисловістю, виходить за допомогою гетерогенного каталізу. При гетерогенному каталізі реакція протікає на поверхні каталізатора. Звідси випливає, що активність каталізатора залежить від величини і властивостей його поверхні. Для того щоб мати більшу ( «розвинену») поверхню, каталізатор повинен володіти пористою структурою або перебувати в сильно роздробленому (високодисперсному) стані. При практичному застосуванні каталізатор зазвичай наносять на носій, який має пористу структуру (пемза, азбест і ін.).

Як і в випадку гомогенного каталізу, при гетерогенному каталізі реакція протікає через активні проміжні з'єднання. Але тут ці сполуки являють собою поверхневі сполуки каталізатора з реагують речовинами. Проходячи через ряд стадій, в яких беруть участь ці проміжні сполуки, реакція закінчується утворенням кінцевих продуктів, а каталізатор в результаті не витрачається.

Все каталітичні гетерогенні реакції включають в себе стадії адсорбції і десорбції.

Каталітична дія поверхні зводиться до двох факторів: збільшення концентрації на межі поділу і активированию адсорбованих молекул.

Приклади гетерогенного каталізу:

2H2O = 2H2O + O2 (каталізатор - MnO2,);

Н2 + 1/2 О2 = Н2О (каталізатор - платина).

Дуже велику роль грає каталіз в біологічних системах. Більшість хімічних реакцій, що протікають в травній системі, в крові і в клітинах тварин і людини, є каталітичними .реакція. Каталізатори, звані в цьому випадку ферментами, представляють собою прості або складні білки. Так, слина містить фермент птіалін, який каталізує перетворення крохмалю в цукор. Фермент, який є в шлунку, - пепсин - каталізує розщеплення білків. В організмі людини знаходиться близько 30 000 різних ферментів: кожен з них служить ефективним каталізатором відповідної реакції.

Селективність дії каталізатора полягає в тому, що продукти реакції можуть бути різними в залежності від того, яким каталізатором ми користуємося.

Різко сповільнити перебіг небажаних хімічних процесів в ряді випадків можна, додаючи в реакційну середу інгібітори (явище «негативного каталізу»).

Інгібітор (лат. Inhibere - затримувати) - речовина, що сповільнює або запобігає протягом будь-якої хімічної реакції: корозії металу, старіння полімерів, окислення палива і мастильних масел, харчових жирів і ін.

Особливе практичне значення мають інгібітори корозії металу. За сучасними уявленнями, механізм дії інгібіторів корозії має електрохімічну природу. Стосовно до корозії металу інгібітором називають речовина, яке,

адсорбируясь на поверхні металу, робить її потенціал позитивніше, тим самим сповільнюючи процес корозії. До інгібіторів також часто зараховують речовини, які знижують активність корозійного середовища або створюють на поверхні металу захисні плівки, які є продуктом взаємодії інгібітора з розчином, металом або продуктом його корозії (криють інгібітори). Відома велика кількість речовин, які можна розглядати в якості інгібіторів корозії. Найчіткіше інгібуючий дію виражено у амінів, азотовмісних гетероциклічних сполук, тиолов, сечовини і тіосечовини, сульфідів, альдегідів і ін.