Швидкість реакції - студопедія

Реакції протікають при зіткненні між собою молекул реагуючих речовин. Швидкість реакції визначається кількістю зіткнень і ймовірністю того, що вони приведуть до перетворення. Число зіткнень визначається концентраціями реагуючих речовин, а можливість реакції - енергією зіштовхуються молекул.

Швидкість хімічної реакції-це зміна концентрацій (DC) реагуючих речовин за одиницю часу (t):

Знак «+» ставиться, якщо швидкість визначається по утворюється продукту, а знак «-» - по витраті вихідної речовини.

Залежно від кількості фаз все системи і протікають в них реакції діляться на гомогенні і гетерогенні.

Система - тіло або група тіл, подумки відокремлених від навколишнього

Фаза - частина системи відокремлена від інших фаз поверхнею розділу.

Гомогенні реакції протікають в одній фазі. Наприклад, реакція
Cl2 (г) + H2 (г) = 2HCl (г) є гомогенною, тому що всі речовини знаходяться в газоподібному стані.

Гетерогенні реакції протікають на поверхні розділу фаз.Прімеромгетерогенной реакції може служити реакція горіння вугілля, що протікає на кордоні вугілля - кисень (система, що складається з двох фаз)

Основні фактори, що впливають на швидкість реакції:

Речовини з іонними зв'язками (електроліти) реагують практично миттєво, а з ковалентними зв'язками (органічні сполуки) повільно.

2) Концентрація реагуючих речовин.

3) Температура реакції.

4) Наявність речовин прискорюють або уповільнюють реакцію.

Розглянемо вплив концентраціі.С збільшенням концентрації швидкість реакції зростає, так як частіше відбуваються зіткнення молекул реагуючих речовин. Кількісно ця залежність визначається законом діючих мас.

Закон діючих мас-швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих у ступенях, рівних коефіцієнтам цих речовин в рівнянні реакції.

Для гомогенної реакцііmА + nВ = С рівняння має вигляд:

Вхідна в рівняння константа швидкості (k) - це швидкість реакції при концентраціях реагуючих речовин рівних одиниці.

Записати вираз закону діючих мас для наступних реакцій:

2) Дана система є гетерогенною, тому в формулу входитимуть тільки концентрація газоподібної речовини: V = k [О2]. Швидкість реакції не залежить від кількості взятого вуглецю, а від поверхні його зіткнення з киснем. У разі подрібнення вугілля швидкість реакції буде зростати

Розглянемо вплив температури на швидкість хімічної реакції

Правило Вант-Гоффа - при підвищенні температури на кожні десять градусів швидкість гомогенних хімічних реакцій зростає в
2 ÷ 4 раза.Для кожної реакції можна застосовувати так званий температурний коефіцієнт # 947 ;, який показує, у скільки разів зростає швидкість реакції при підвищенні температури на 10 0С. Знаючи температурний коефіцієнт, можна розрахувати зміна швидкості реакції при збільшенні температури від Т1 до Т2 за формулою

# 947; температурний коефіцієнт швидкості даної реакції.

Наприклад, якщо # 947; = 2, то при збільшенні температури на 100 градусів швидкість реакції повинна збільшитися в 210 = 1024 рази.

Причина впливу температури на швидкість реакції полягає втому,

що реагують не всі частинки, а тільки частки, що володіють достатньою для реакції енергією. При підвищенні температури реакційної суміші частка таких частинок зростає. Розподіл часток за значеннями енергії в залежності від температури наведено на малюнку 11.1.

Малюнок 11.1 - Розподіл часток за значеннями кінетичної енергії при різних температурах,

Е'1 і Е'2 - найбільш імовірні значення енергії частинок при температурах відповідно Т1 та Т2;

Еа - мінімальна енергія частинок, необхідна для протікання реакції. Загальна кількість частинок в системі (N) дорівнює площі під кривою.

Число частинок з енергією більшою, ніж Е а так само заштрихованої площі.

З малюнка 11.1 видно, що при збільшенні температури розподіл часток по енергіях змінюється так, що збільшується частка частинок з енергією більшою, ніж Еа.

Енергія активації - це надмірна кількість енергії (в порівнянні з середньою величиною), якою повинна володіти молекула в момент зіткнення, щоб бути здатною до даного хімічної взаємодії.

У розрахунку на 1 моль розмірність енергії активації кДж / моль. Для реакцій, що протікають з помітною швидкістю, енергія активації не перевищує

50 кДж / моль, а для іонно-обмінних реакцій, що протікають практично миттєво, Ea »0.

У 1889 р С. Арреніус привів рівняння залежності константи швидкості хімічної реакції від температури:

де A - предекспотенціальний множник, що залежить від природи реагуючих речовин;

З рівняння Арреніуса слід, що константа швидкості реакції зменшується зі збільшенням енергії активації.

На малюнку 11.2 показана залежність зміни потенційної енергії реагує системи від шляху протікання реакції.

Малюнок 11.2 - Енергетична діаграма хімічної реакції

А - вихідні речовини, В - перехідний стан (активоване комплекс), С - продукти реакції.

З наведеного малюнка видно, що для екзотермічної реакції (що йде з виділенням теплоти) спад активних молекул заповнюється за рахунок енергії, що виділяється в ході реакції. У разі ендотермічної реакції для підтримки необхідної швидкості реакції потрібно підведення тепла.

Наявність речовин прискорюють або уповільнюють реакціі.В залежності від що чиниться впливу додаються речовини можуть прискорювати реакції - каталізатори або сповільнювати - інгібітори.

Каталізатор - це речовина, яка прискорює хімічну реакцію, але саме після реакції залишається в незмінному вигляді.

Каталізатор змінює шлях реакції, проводячи її через проміжні

стадії з меншими значеннями енергій активації. Схему реакції без каталізу між речовинами А і В з утворенням продукту D можна представити в наступному вигляді: А + В = D, а в присутності каталізатора До шлях реакції змінюється:

Особливістю каталізатора є селективність, тобто здатність прискорювати тільки певні реакції. Високу селективність мають біокаталізатора (ферменти) - каталізатори реакцій в живих системах.

Інгібітори речовина, що сповільнює хімічну реакцію.На практиці іноді необхідно уповільнювати реакції (корозія металів і ін.). Це досягається введенням в реакційну систему інгібіторів. Наприклад, уротропін є інгібітором корозії заліза в кислому середовищі.

Промотор- речовина, що підвищують активність каталізатора. При цьому промотори можуть самі і не мати каталітичними властивостями.

Каталітичні отрути-домішки в реакційній суміші, що призводять до часткової або повної втрати активності каталізатора.Так, сліди миш'яку, фосфору викликають швидку втрату активності каталізатором V2 O5 при контактному способі отримання H2 SO4.

У хімічних реакціях вихідні речовини не завжди повністю перетворюються на продукти реакції. Це відбувається тому, що в міру накопичення продуктів реакції можуть створюватися умови для протікання зворотної реакції. Більшість хімічних реакцій є оборотними. Як приклад проаналізуємо оборотну реакцію

Пряма іобратнаяреакціі є окремими реакціями з відповідними їм кінетичними закономірностями.

Кількісною характеристикою оборотних реакцій є константа рівноваги, яка визначається при досягненні системою хімічного рівноваги.

У стані хімічної рівноваги швидкості прямої і зворотної реакцій рівні (Vпр. = Vобр.).

Підставляючи в умова хімічної рівноваги вираження швидкостей прямої і зворотної реакцій отримуємо наступне рівність:

Після перетворення отримуємо

У разі гетерогенної реакції, наприклад, СаСО3 ↔ СаО + СО2 ↑. Вираз константи рівноваги має вигляд Кр = [СО2], тобто константа рівноваги залежить в даній реакції тільки від концентрації газоподібної речовини.

Чим більше константа рівноваги, тим більше рівновага зміщена в бік прямої реакції. Константа рівноваги залежить від температури і природи реагуючих речовин. Хімічна рівновага має динамічний характер. Пряма і зворотна реакції при рівновазі не припиняються.

Вплив різних факторів на зміщення рівноваги узгоджується з принципом Ле Шательє.

Принцип Ле Шателье- якщо на систему, що знаходиться в стані хімічної рівноваги, виявляється зовнішній вплив, то в результаті протікають в системі процесів рівновагу зміститься таким чином, що вчинила вплив зменшиться.

Принцип Ле Шательє універсальний, тому що можна застосувати не тільки до хімічних процесів, але і до різних фізико-хімічних процесів.

Розглянемо вплив зміни концентрацій, тиску і температури

Вплив концентрацій реагуючих речовин

Якщо в рівноважну систему 2N2 + 3H2 «2NH3 додати N2 або H2. то рівновага зміститься вправо, тобто вихід NH3 збільшиться. При збільшенні концентрації NH3 рівновагу відповідно зміститься вліво.

Зміна тиску впливає на рівновагу реакцій за участю газоподібні речовини. Якщо в системі, що знаходиться в стані хімічної рівноваги, збільшити тиск, то рівновага зміститься у бік тієї реакції, газоподібні продукти якої займають менший об'єм, а в разі зменшення тиску - навпаки.

1) Як вплине збільшення тиску на зміщення рівноваги реакції

Рішення: З рівняння реакції видно, що з 4 моль газу вихідних речовин утворюється 2 моль газу продуктів реакції. Таким чином, при збільшенні тиску рівновага зміститься у бік прямої реакції, так як вона призводить до зменшення тиску.

2) Як вплине зміна тиску на зміщення рівноваги реакції

З рівняння реакції видно, що з 2 моль газу вихідних речовин утворюється 2 моль газу продуктів реакції. Таким чином, зміна

тиску не вплине на рівновагу даної реакції.

Якщо реакційну суміш, що знаходиться в стані хімічної рівноваги, нагріти, то відповідно до принципу Ле Шательє повинна переважно протікати реакція з поглинанням тепла, тобто ендотермічна реакція, а при охолодженні суміші повинна переважно протікати реакція з виділенням тепла, тобто екзотермічна реакція.

Як слід змінити температуру реакції

Рішення: Реакція екзотермічна, тому при збільшенні температури рівновага зсувається вліво, а при зниженні температури - вправо. З цього випливає, що для збільшення виходу аміаку температуру необхідно знижувати. На практиці витримують температуру

500 оС, так як при більш низькій температурі різко знижується швидкість досягнення рівноваги.

12 Будова атома