Вплив температури на швидкість реакції 2

Швидкості і механізми протікання хімічних реакцій вивчає хіміческаякінетіка

Швидкість реакції (v) визначається числом молей речовини (n), перетвореного за одиницю часу (t) в одиниці об'єму (V) 1 D n

v = ¾ × ¾¾ (1)

При постійному обсязі системи вираз (1) переходить в. v = DC / Dt,

де С - молярна концентрація речовини [моль / л].

При хімічній реакції концентрації вихідних речовин зменшується (D СІСХ <0 ), а продуктов реакции - возрастают ( D Спрод> 0), тому для величини v можна записати два рівноцінних вираження: v = - DCісх / Dt = + DCпрод / Dt.

Однорідна частина системи (рідка, тверда. Газоподібна) називається фазою.

Реакція, що протікає в системі, що складається з однієї фази, називається гомогенною реакцією. Реакція, в якій бере участь кілька фаз, називається гетерогенною.

Швидкість реакцій залежить від наступних основних факторів: природи реагентів, концентрації реагуючих речовин, температури і присутності каталізаторів.

Вплив концентрації реагуючих речовин.

Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин визначається законом дії мас (ЗДМ):

швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у ступенях їх стехіометричних коефіцієнтів, якщо рівняння реакції відповідає механізму проходить реакції.

У загальному вигляді для гомогенної реакції: aA + bB ® продукти

швидкість дорівнює: V = K * C a A * C b B (2)

де k - константа швидкості реакції.

Для реакцій за участю газоподібних речовин прийнято використовувати вираз ЗДМ через парціальні тиску речовин РА і РВ [Па]: аb

Константа швидкості реакції дорівнює швидкості реакції при концентрації всіх реагентів, рівних одиниці. Константа швидкості залежить від природи речовин і температури, але не залежить від концентрацій.

Сума показників ступенів концентрацій (a + b) в кінетичному рівнянні (2) називається теоретичним порядком реакції.

ПРИКЛАД 1. Хімічна реакція H2 (г) + I2 (г) Û 2 HI (г) йде в одну стадію і в прямому і в зворотному напрямку, і її механізм відповідає стехиометрическому рівняння. Як зміниться швидкість реакції при збільшенні тиску в системі в 2 рази?

Згідно ЗДМ, швидкість прямої реакції: v = kпр × CH2 × CI2 (порядок реакції = 2),

швидкість зворотної реакції: v = kобр × C 2 HI (порядок реакції = 2).

При збільшенні тиску в 2 рази концентрації (парціальні тиску) всіх газоподібних речовин збільшуються в 2 рази, тобто відношення швидкості реакції після підвищення тиску до вихідної швидкості одно: v2 / v1 = (kпр × 2CH2 × 2CI2) / (kпр × CH2 × CI2) = 4.

Стехіометричне рівняння реакції відображає лише кількісне співвідношення між реагують речовинами і не показує механізму протікає процесу. Реальний процес зазвичай значно складніше, ніж це відображено в стехиометрическом рівнянні. Якщо хімічна реакція протікає через кілька проміжних стадій, то сумарна швидкість реакції визначається найбільш повільної (лімітуючої) стадією.

Перша стадія, будучи більш повільної, визначає кінетичне рівняння всієї реакції:

v = k × C 2 NO × CH2. порядок реакції = 3. а не 4.

У гетерогенній системі за участю конденсованої (твердої або рідкої) фази хімічна реакція йде на кордоні розділу фаз. Поверхнева концентрація молекул твердого (рідкого) речовини постійна, тому швидкість гетерогенної реакції залежить тільки від концентрації газоподібних речовин. У зв'язку з етімконцентраціі речовин, що знаходяться в конденсованої фазі, в кінетичне рівняння не входять.

ПРИКЛАД 3. Для гетерогенної реакції CaO (к) + CO2 (г) = CaCO3 (к) швидкість визначається кінетичним рівнянням v = k × CCO2.

Вплив температури на швидкість реакції.

З підвищенням температури швидкість хімічних реакцій сильно зростають.

Існує емпіричне правило Вант-Гоффа:

при підвищенні температури на 10 ° С швидкість реакції (константа швидкості) збільшується в 2 - 4 рази.

Математично правило Вант-Гоффа можна записати в такий спосіб:

¾¾ = ¾¾ = g. (3)

де g = 2 ¸ 4 - температурний коефіцієнт реакції,

v1 і v2 (k1 і k2) -швидкості (константи швидкості) реакцій

при температурах Т1 і Т2 відповідно, D Т = Т2 - Т1.

ПРИКЛАД 4. Як зміниться швидкість реакції при збільшенні температури на 30 ° С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції g = 3?

D T = 30, таким чином швидкість реакції збільшиться в vT + 30 / vT = 3 30/10 = 27 разів.

Правило Вант-Гоффа наближене. Більш точно температурна залежність швидкості реакції виражається рівнянням Арреніуса. ln k = ln k0 - Eакт / (RT)

де k0 - предекспоненціальний множник,

Еакт - енергія активації,

R - універсальна газова стала.

Енергія активації - мінімальна надлишкова енергія взаємодіючих частинок, необхідна для протікання реакції (рис. 1, а).

а Рис. 1. Зміна енергії в ході

некаталітичного (а) і

вих б каталітичної (б) реакцій.

Знаючи температурний коефіцієнт реакції (g) в інтервалі температур від Т1 до

Т2 = Т1 +10, можна оцінити величину енергії активації за рівнянням: Еакт »0,1 × R × T1 × T2 × ln g (4)

Багато хімічних реакцій, цілком можливі з точки зору термодинаміки, протікають з малою швидкістю. У присутності деяких речовин швидкість реакції різко зростає, хоча в стехиометрическом рівнянні реакції ці речовини відсутні.

Подібні речовини, що впливають на швидкість процесу, але формально в ньому не беруть участь, називаються каталізаторами. (Речовини, які зменшують швидкість реакції, називаються інгібіторами).

Якщо каталізатор знаходиться в одній фазі з реагентами, говорять про гомогенному каталізі. якщо реагенти і каталізатор знаходяться в різних фазах - про гетерогенному каталізі.

Швидкість реакції в присутності каталізатора зростає за рахунок зниження енергії активації (рис. 1, б). Це призводить до збільшення швидкостей як прямий, так і зворотної реакцій. При цьому не відбувається зміни напрямку реакції і зміщення стану хімічної рівноваги, збільшується лише швидкість його встановлення.

У гомогенному каталізі вплив каталізатора зводиться до утворення проміжних сполук на першій стадії і кінцевого продукту з виділенням каталізатора - на другий.

ПРИКЛАД 5. Реакція розкладання пероксиду водню Н2 О2 в присутності хромату калію K2 CrO4 протікає в дві стадії, але сумарно виражається хімічним рівнянням наступним чином:

каталізатор, вступаючи в реакцію на першій стадії, повністю виділяється на другий (в результаті реакції каталізатор не витрачається).

При гетерогенному каталізі прискорення реакції відбувається за рахунок активування молекул при їх адсорбції на поверхні каталізатора. Теорія гетерогенного каталізу не знайшла ще свого завершення, тому розробка каталізаторів для того чи іншого процесу є результатом тривалих експериментів.

Каталізатори характеризуються вибірковістю (селективністю), тобто прискорюють одні процеси, мало впливаючи на інші. У присутності різних каталізаторів перетворення одного і того ж речовини може йти в різних напрямках.

ПРИКЛАД 6. Розкладання етилового спирту може йти за трьома різними механізмами.

Залежно від природи каталізатора відбувається прискорення (переважне протікання) відповідної реакції:

етилен ½Cu, Ni діетиловий ефір

ДОСВІД 1. Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації реагентів.

Під час експерименту досліджується реакція між розчинами тіосульфату натрію і сірчаної кислоти:

Реакція протікає в дві стадії:

Сірка, що утворюється в результаті реакції, викликає опалесценцію і подальше помутніння розчину, тому про швидкість протікання реакції можна судити, візуально фіксуючи момент втрати прозорості розчину.

Виконання досвіду: в трьох пробірках приготуйте розчини тіосульфату натрію різної концентрації, для цього внесіть в пробірку №1 - 4 краплі розчину тіосульфату натрію і 8 крапель води, в пробірку №2 - 8 крапель розчину тіосульфату натрію і 4 краплі води, в пробірку №3 - 12 крапель розчину тіосульфату натрію. Пробірки злегка струсіть. Таким чином, при однакових обсягах розчинів концентрація тіосульфату натрію в пробірках буде відносно 1. 2. 3.

В пробірку №1 додайте одну краплю розчину сірчаної кислоти і одночасно увімкніть секундомір. Пробірку струсіть для перемішування розчину. Виміряйте час від моменту додавання кислоти до появи опалесценції.

Досвід повторіть з пробірками №2 і №3. додаючи по одній краплі сірчаної кислоти і визначаючи час протікання реакції до однаковою мірою помутніння розчину.

Дані досвіду занесіть в таблицю:

ДОСВІД 2. Вплив температури на швидкість реакції.

Під час експерименту використовується реакція між розчинами тіосульфату натрію і сірчаної кислоти (див. Досвід 1).

Виконання досвіду. в три пробірки налийте по 1 мл розчину тіосульфату натрію, в інші три пробірки - по 1 мл розчину сірчаної кислоти. Кожну пару пробірок (тіосульфат - кислота) помістіть в водяні лазні. першу - при кімнатній температурі, другу - при температурі на

10 ° С вище кімнатної, третю - при температурі на 20 ° С вище кімнатної.

Через 5 -10 хв. злийте вміст кожної пари пробірок і за секундоміром визначте час протікання реакції по появі опалесценции.

Результати досвіду занесіть в таблицю:

Час реакції, з

1. Запишіть вираз правила Вант - Гоффа.

2. За отриманими даними розрахуйте два значення температурного коефіцієнта реакції і його середнє значення.

3. Для кожного значення температурного коефіцієнта розрахуйте енергію активації реакції, а також її середнє значення.

4. Всі дані занесіть в таблицю.

5. Зробіть висновок про вплив температури на швидкість реакції.

ДОСВІД 3. Вплив каталізаторів на швидкість реакції.

Під час експерименту досліджується реакція розкладання пероксиду водню в присутності каталізаторов- розчину хромату калію K2 CrO4 і твердого діоксиду марганцю MnO2. Швидкість реакції оцінюється за інтенсивністю виділення кисню, який виявляється за допомогою тліючої скіпки.

Виконання досвіду: в дві пробірки налийте по 10 крапель розчину Н2 О2. До отвору однієї з них піднесіть тліючу лучинку. Чи відбувається виділення кисню?

Повторіть досвід, додавши в першу пробірку кілька крапель розчину хромату калію, в іншу - кілька кристалів діоксиду марганцю.

1) Відзначте ознаки протікання реакції.

2) Напишіть рівняння реакції розкладання пероксиду водню:

а) як впливають хромат калію і діоксид марганцю на швидкість розглянутої реакції,

б) в якому разі каталіз є гомогенним, в якому - гетерогенним,

в) чому в одному випадку в ході реакції змінюється забарвлення розчину,

г) на основі яких спостережень можна зробити висновок про те, що каталізатор в процесі реакції не витрачається,

д) як змінюється енергія активації реакції в присутності каталізатора.

ДОСВІД 4. Вплив величини міжфазної поверхні на швидкість гетерогенної реакції.

протікає на поверхні твердого карбонату кальцію, взятого в компактному і подрібненому вигляді.

Виконання досвіду. візьміть два невеликих шматочка крейди (@ 0,5 г). Один зі шматочків помістіть в пробірку, інший розітріть в ступці і вийшов порошок помістіть в іншу пробірку. В обидві пробірки одночасно внесіть по 5 мл соляної кислоти. Відзначте час розчинення крейди в кожному випадку:

1) Напишіть кінетичне рівняння реакції.

2) Зробіть висновок про вплив ступеня подрібнення твердих речовин (величини міжфазної поверхні) на швидкість гетерогенної реакції.

Варіант тесту (правильні відповіді виділено).

I. Швидкість хімічної реакції: 3H2 (г) + N2 (г) = 2NH3 (г) виражається рівнянням:

II. Швидкість хімічної реакції. ZnO (к) + CO (г) = Zn (к) + CO2 (г) виражається рівнянням:

см. ЗДМ для гетерогенних реакцій, приклад 3

III. Чому дорівнює порядок реакції (див. П. I):

см. визначення, стор. 1

IV. Вкажіть розмірність величин, які використовуються в обчисленнях за законом дії мас:

% І атм несистемний одиниці СІ

V. Швидкість гетерогенної реакції залежить від:

1) концентрації газоподібних речовин 3) концентрації твердих речовин

2) маси твердих речовин 4) тиску

см. ЗДМ для гетерогенних реакцій, приклад 3

VI. Константа швидкості хімічної реакції залежить від:

1) енергії активації реакції 3) температури

2) концентрації реагентів 4) присутності каталізатора

константа швидкості від концентрацій не залежить

VII. У скільки разів збільшиться швидкість реакції при підвищенні температури на 20 ° С, якщо температурний коефіцієнт реакції дорівнює 3:

см. рівняння (3) і ПРИКЛАД 4

VIII. Вплив каталізатора проявляється в:

1) збільшення швидкості реакції 3) зміні напрямку реакції

2) зміщення рівноваги 4) зниженні енергії активації

см. стр. 3 - каталіз

IX. Які стадії хімічної реакції визначають її швидкість?

1) повільна стадія 3) швидка стадія

2) всі стадії 4) проміжні стадії

см. визначення, стор. 2 і ПРИКЛАД 2

X. У скільки разів збільшиться швидкість реакції (див. П.I), якщо загальний тиск в системі збільшити В2 рази?

1) в 2 рази 2) 4 3) 8 4) 16