Швидкість хімічної реакції, підготовка до ЦТ і ЄДІ з хімії
Швидкість хімічної реакції - це изме-ня концентрації реагуючих речовин в одиницю часу.
При гомогенних реакціях простором реакції позначається обсяг реакційної посудини, а при гетерогенних - по-поверхню, на якій протікає реакція. Концентрації реагуючих-чих 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), зависи-ність матиме такий вигляд:
Це рівняння мономолекулярної реакції. Коли в еле-тарному акті відбувається взаємодія двох різних молі-кул, залежність має вигляд:
Реакція називається бімолекулярний. У разі зіткнення трьох молекул справедливо вираз:
Реакція називається тримолекулярного. Позначення коефіцієнтів:
v- швидкість реакції;
[А], [В], [З] - концентрації реагуючих речовин;
k - коефіцієнт пропорційності; називається кон-константи швидкості реакції.
Якщо концентрації реагуючих речовин дорівнюють одиниці (1 моль / л) або їх добуток дорівнює одиниці, то v = k. Константа швидкості зави-сит 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: ско-кість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрації реагуючих речовин, воз-наведених в ступінь їх стехіометричних коефіцієнтом-тов .
Для прикладу розберемо реакцію 2NO + O2 = 2NO2.
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 уравне-ванні реакції. Для реакції, яка протікає в кілька стадій, швидкість реакції оп-ределяется швидкістю самої повільної (лімітуючої) стадії.
Така залежність швидкості реакції від кон-центрації 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 поверх-ності розділу фаз. Отже, швидкість гетерогенної реакції залежить ще і від величини і характеру поверхні сопрікоснове-ня реагують фаз. Чим більше поверхня - тим швидше буде йти реакція.
Вплив температури на швидкість хімічної ре-акції
Вплив температури на швидкість хімічної реакції визначається правилом Вант-Гоффа: при вище-ванні температури на кожні 10 ° C швидкість реакції збіль-личивается в 2-4 рази. Математично це правило пере-дається наступним рівнянням:
де vt1 і vt2 - швидкості реакцій при тим-пература t2 і t1; g - температурний коефіцієнт реакції - число, покази-вающее, у скільки разів збільшується швидкість реакції при підвищенні температури на кожні 10 ° C. Така значна залежність швидкості хімічної реакції від температури пояснюється тим, що утворення нових речовин відбувається не при вся-кому зіткненні реагують молекул. Взаємодіють тільки ті молекули (активні молекули), кото-які мають достатню енергію, щоб розірвати зв'язки у вихідних частинках. Тому кожна реакція характеризується енергетичним бар'єром. Для його преодо-лення молекулі необхідна енергія активації - деяка через надлишкового енергія, якою повинна володіти молекула для того, щоб її зіткнення з іншою молекулою призвело до утворення нової речовини. З ростом температури число активних молекул швидко збільшується, що призводить до різко-му зростання швидкості реакції за правилом Вант-Гоффа. Енергія активації для кожної конкретної реакції залежить від природи реагуючих речовин.
Теорія активних зіткнень дозволяє пояснити вплив деяких факторів на швидкість хімічної реакції. Основні положення цієї теорії:
- Реакції відбуваються при зіткненні частинок реагентів, які володіють певною енергією.
- Чим більше частинок реагентів, чим ближче вони один до одного, тим більше шансів у них зіткнутися і прореагувати.
- До реакції призводять лише ефективні зіткнення, тобто такі при яких руйнуються або послаблюються «старі зв'язки» і тому можуть утворитися «нові». Для цього частинки повинні мати достатню енергією.
- Мінімальний надлишок енергії, необхідний для ефективного зіткнення часток реагентів, називається енергією активації Е а.
- Активність хімічних речовин проявляється в низькій енергії активації реакцій з їх участю. Чим нижче енергія активації, тим вище швидкість реакції. Наприклад, в реакціях між катіонами і аніонами енергія активації дуже мала, тому такі реакції протікають майже миттєво
вплив каталізатора
Одне з найбільш ефективних засобів впливу на швидкість хімічних реакцій - використання каталізаторів. Каталізатори - це речовини, які змінюють швидкість реакції, а самі до кінця процесу залишаються незмінними за складом і по масі. Інакше кажучи, в момент самої реакції каталізатор бере активну участь в хімічному про-процесі, але до кінця реакції реагенти змінюють свій хімічний склад, перетворюючись в продукти, а каталізатор виділяється в першо-початковому вигляді. Зазвичай роль каталізатора полягає в збільшенні швидкості реакції, хоча деякі каталізатори не прискорюють, а уповільнюють процес. Явище прискорення хімічних реакцій завдяки присутності каталізаторів носить назву каталізу, а уповільнення - пригнічення.
Деякі речовини не володіють каталітичною дією, але їх добавки різко збільшують каталітичну здатність каталізаторів. Такі речовини називаються промоторами. Інші речовини (каталітичні отрути) зменшують або навіть повністю блокують дію каталізаторів, цей процес називається отруєнням каталізатора.
Існують два види каталізу: гомогенний і гетерогенний. При гомогенному каталізі реагенти, продукти і каталізатор становлять одну фазу (газову або рідке). В цьому випадку відсутній поверх-ність розділу між каталізатором і реагентами.
Особливість гетерогенного каталізу полягає в тому, що катали-затори (зазвичай тверді речовини) знаходяться в іншому фазовому перебуваючи-ванні, ніж реагенти і продукти реакції. Реакція розвивається зазвичай на поверхні твердого тіла.
При гомогенному каталізі відбувається утворення проміжних продуктів між каталізатором і реагує речовиною в результаті реакції з меншим значенням енер-гии активації. При гетерогенному каталізі збільшення швидкості пояснюється адсорбцією реагує-чих речовин на по-поверхні каталізатора. В результаті цього їх концентрація збільшується і швидкість реакції зростає.
Особливим випадком каталізу є аутокаталіз. Сенс його полягає в тому, що хімічний процес прискорюється одним з про-дуктів реакції.
Приклади розв'язання задач на швидкість реакції