Примеры скорость химической реакции: Скорость химических реакций и факторы от которых она зависит

Содержание

Скорость химических реакций и факторы от которых она зависит

В жизни мы сталкиваемся с разными химическими реакциями. Одни из них, как ржавление железа, могут идти несколько лет. Другие, например, сбраживание сахара в спирт, — несколько недель. Дрова в печи сгорают за пару часов, а бензин в моторе — за долю секунды.

Чтобы уменьшить затраты на оборудование, на химических заводах повышают скорость реакций. А некоторые процессы, например, порчу пищевых продуктов, коррозию металлов, — нужно замедлить.

Скорость химической реакции можно выразить как изменение количества вещества (n, по модулю) в единицу времени (t) — сравните скорость движущегося тела в физике как изменение координат в единицу времени: υ = Δx/Δt. Чтобы скорость не зависела от объема сосуда, в котором протекает реакция, делим выражение на объем реагирующих веществ (v), т. е. получаем изменение количества вещества в единицу времени в единице объема, или изменение концентрации одного из веществ в единицу времени:

           n2 − n1            Δn
υ = –––––––––– = –––––––– = Δс/Δt    (1)
      (t2 − t1) • v         Δt • v

где c = n / v — концентрация вещества,

Δ (читается «дельта») — общепринятое обозначение изменения величины.

Если в уравнении у веществ разные коэффициенты, скорость реакции для каждого из них, рассчитанная по этой формуле будет различной. Например, 2 моль серни́стого газа прореагировали полностью с 1 моль кислорода за 10 секунд в 1 литре:

2SO2 + O2 = 2SO3

Скорость по кислороду будет: υ = 1 : (10 • 1) = 0,1 моль/л·с

Скорость по серни́стому газу: υ = 2 : (10 • 1) = 0,2 моль/л·с — это не нужно запоминать и говорить на экзамене, пример приведен для того, чтобы не путаться, если возникнет этот вопрос.

Скорость гетерогенных реакций (с участием твердых веществ) часто выражают на единицу площади соприкасающихся поверхностей:

          Δn
υ = ––––––           (2)
        Δt • S

Гетерогенными называются реакции, когда реагирующие вещества находятся в разных фазах:

  • твердое вещество с другим твердым, жидкостью или газом,
  • две несмешивающиеся жидкости,
  • жидкость с газом.

Гомогенные реакции протекают между веществами в одной фазе:

  • между хорошо смешивающимися жидкостями,
  • газами,
  • веществами в растворах.

Условия, влияющие на скорость химических реакций

1)   Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ. Проще говоря, разные вещества реагируют с разной скоростью. Например, цинк бурно реагирует с соляной кислотой, а железо довольно медленно.

2)   Скорость реакции тем больше, чем выше концентрация веществ. С сильно разбавленной кислотой цинк будет реагировать значительно дольше.

3)   Скорость реакции значительно повышается с повышением температуры. Например, для горения топлива необходимо его поджечь, т. е. повысить температуру. Для многих реакций повышение температуры на 10° C сопровождается увеличением скорости в 2–4 раза.

4)   Скорость гетерогенных реакций увеличивается с увеличением поверхности реагирующих веществ. Твердые вещества для этого обычно измельчают. Например, чтобы порошки железа и серы при нагревании вступили в реакцию, железо должно быть в виде мелких опилок.

Обратите внимание, что в данном случае подразумевается формула (1)! Формула (2) выражает скорость на единице площади, следовательно не может зависеть от площади.

5)   Скорость реакции зависит от наличия катализаторов или
ингибиторов.

Катализаторы — вещества, ускоряющие химические реакции, но сами при этом не расходующиеся. Пример — бурное разложение перекиси водорода при добавлении катализатора — оксида марганца (IV):

2H2O2 = 2H2O + O2

Оксид марганца (IV) остается на дне, его можно использовать повторно.

Ингибиторы — вещества, замедляющие реакцию. Например, для продления срока службы труб и батарей в систему водяного отопления добавляют ингибиторы коррозии. В автомобилях ингибиторы коррозии добавляются в тормозную, охлаждающую жидкость.

Еще несколько примеров:

Условия Примеры
Природа реагирующих веществ Многие вещества хранятся годами, а перекись водорода разлагается: 2Н2О2 = 2Н2О + О2
Их концентрация Чистая перекись водорода разлагается со взрывом, а в растворе — за несколько месяцев
Температура В прохладном месте раствор Н2О2 сохраняется довольно долго
Присутствие катализаторов и ингибиторов Раствор Н2О2, поступающий в продажу, содержит ингибиторы, чтобы лучше хранился. Но если к нему добавить щепотку MnO2 в качестве катализатора — происходит бурное выделение кислорода

автор: Владимир Соколов

Приведите примеры и условия, влияющие на скорость химических реакций.

Задача 7 – Абракадабра
Ученик получил задание, в котором по названиям веществ необходимо было
составить их химические формулы. Выполняя это задание, о

н не оставил
пробелы между формулами веществ, в результате чего у него получилась
запись: h3ON2O3NaBO2h3CO2K3NCFeCl3N2К2SO3
1. Выделите из этой записи формулы индивидуальных веществ (учитывая,
что ни одно из веществ дважды не повторяется).
2. Отметьте простые вещества.
3. Напишите уравнения всех возможных реакций (с указанием условий их
протекания) записанных в п.1 веществ с водой.
Задача 8 – Изоэлектронные молекулы
Молекула вещества Х изоэлектронна молекуле азота (приставка «изо», про-
исходящая от греч. ισος – «равный», обозначает единообразие, равенство).
Вещества Х и азот имеют не только близкие физические свойства, но и
определенные аналогии в своих химических превращениях (хотя соеди-
нение Х более активно, чем азот).
Напишите пары реакций (для Х и азота), подтверждающих их окислитель-
ные и восстановительные свойства. Приведите условия протекания ука-
занных реакций, подтверждающие отличие в активности указанных со-
единений.
Приведите примеры реакций, подтверждающие принципиальные отличия в
свойствах этих двух веществ (реакция протекает для одного из веществ и
не протекает для другого или реакции идут в принципиально разных на-
правлениях).
Задача 9 – Изомеры углеводорода
Плотность углеводорода А по водороду равна 27.
Напишите все возможные изомеры А, удовлетворяющие указанному усло-
вию.
К каким классам органических соединений эти изомеры относятся?
Какой из изомеров, на Ваш взгляд, обладает наименьшей устойчивостью?
Хелп плиз

Азот смешали с одним из газообразных (н.у.) алканов. В данной смеси газов объемная доля (N2) = 20%, а массовая доля (N2)= 13,73%. Установите молекуляр

ную формулу алкана.

Сплавили смесь равных масс ацетата натрия и гидроксида наьрия. Выделившийся газ сожгли в кислороде (недостатке) и получили смесь двух окчидов углерода

объемом (н. у.) 8,96 дм³ и плотностью 1,538 г/дм³. Рассчитайте массу исходной смечи соли и щелочи

Рассчитайте число формульных единиц в элементарной ячейке минерала сфалерита ZnS, если известно, что ионы цинка образуют ГЦК, в которой половина тетра

эдрических пустот заселена ионами серы.

Минерал Li2O имеет структуру анти-флюорита (расположение катионов и анионов обратно структуре флюорита). Укажите значение координационного числа лития

в структуре.

Решите пожалуйста задачу . Розрахуйте співвідношення мас Літію і Оксигену в літій оксиді (Li2O).(заранее спасибо♡)

Решите пожалуйста задачу ♡ .Розрахуйте співвідношення мас Літію і Оксигену в літій оксиді (Li2O).​

Помогите пожалуйста.Задача 4. Розрахуйте співвідношення мас Магнію і Оксигену в магній оксиді (MgO).​

Помогите пожалуйста.Задача 3. Скласти формулу сполуки Нітрогену з Оксигеном, якщо відношення мас Нітрогену та Оксигену в ній становить 7:20.​

Какова масса 20 процентного раствора содержащего 60 грамм сахара?

1.

Химические реакции. Интернет-урок 4.2. Скорость химических реакций

ПРЕДМЕТ

Химия

КЛАСС

11

НАЗВАНИЕ ЗАНЯТИЯ

4. Химические реакции

НАЗВАНИЕ ИНТЕРНЕТ-УРОКА

Интернет-урок 4.2. Скорость химических реакций

АВТОР-РАЗРАБОТЧИК

Тележинская Е.Л.

Содержание занятия 1. Химические реакции

Интернет-урок 1. Классификация химических реакций

Интернет-урок 2. Скорость реакции, её зависимость от различных факторов

Интернет-урок 3. Обратимость реакций. Химическое равновесие

Ключевой вопрос Интернет-урока

Подводка:

Представьте, что вы сотрудник медицинской корпорации, в которой выпускают лекарство от тяжелой болезни, позволяющее вылечить недуг многих людей. Стратегия вашего предприятия – скорость разработки и скорость воздействия лекарства на организм. Управлять скоростями очень важно. Многие промышленные химические реакции (например, синтез аммиака или синтез лекарственных препаратов) хотелось бы ускорить. Другие реакции (например, коррозию металлов) хотелось бы замедлить. Возникает вопрос, от чего зависит скорость реакции? Что произойдёт с продуктами реакций одного и того же вещества, если: а) изменить температуру, б) уменьшать концентрацию вещества, в) изменить площадь контакта веществ друг с другом?

п/п

Содержание

Связанные элементы правого поля

1.

Вспоминаем

Подводка

Кинетика – наука о скоростях химических реакций. Скорость химической реакции – число элементарных актов химического взаимодействия, протекающих в единицу времени в единицу объема (гомогенные) или на единице поверхности (гетерогенные).

Истинная скорость реакции определяется по формуле:

ММО интерактивный рисунок истинная скорость химической реакции

Художнику

Нарисовать истинную формулу скорости реакции, как рукописный вариант:

Конец объекта

1.1. Это интересно. Скорость и производство.

1.2. Это интересно. Скорость в быту.

1.3. Это интересно. ИКТ компетентность.

1.4. Это интересно. Химическая кинетика.

2.

Тип объекта: Заметки в рабочую тетрадь

Подводка

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Для гомогенных, гетерогенных реакций:

1) концентрация реагирующих веществ;

2) температура;

3) катализатор;

4) ингибитор.

Только для гетерогенных:

1) скорость подвода реагирующих веществ к поверхности раздела фаз;

2) площадь поверхности.

Главный фактор – природа реагирующих веществ – характер связи между атомами в молекулах реагентов.

Приведите примеры реакций и веществ.

Запишите свой ответ здесь

Тип объекта: ЗТФ — Растаскивание по колонкам

Название: Скорость реакции

Содержание объекта:

Вы уже знакомы с факторами, влияющими на скорость протекания химических реакций. Разнеси химические реакции по соответствующим колонкам.

Самые медленные реакции

Быстрые реакции

Самые быстрые реакции

Элементы для перетаскивания: Zn и О2, CuS и HCl (р-р), Zn и HCl (1% р-р), Mg и HCl (р-р), AgCl и Mg(NO3)2, MgCO3 и HNO3(р-р), KOH(р-р) и HNO3(р-р), ZnCl2(р-р) и NaOH(р-р).

Правильный ответ:

Самые медленные реакции

Быстрые реакции

Самые быстрые реакции

Zn и О2

CuS и HCl (р-р)

Zn и HCl (1% р-р)

Mg и HCl (рр)

AgCl и Mg(NO3)2

MgCO3 и HNO3(р-р)

KOH(р-р) и HNO3(р-р)

ZnCl2(р-р) и NaOH(р-р)

Конец объекта

2.1. Экология и скорость реакции.

2.2. Практическая работа. Техника безопасности

2.3 Опыт 1

2.4. Опыт 2

2.5. Опыт 3

2. 6. Опыт 4

2.7. Опыт 5

1.1.Это интересно. Скорость и производство.

Гиперссылка:

Скорость реакции может быть как положительным, так и отрицательным фактором на промышленном предприятии.

Положительное значение на производстве. Например, ускорение реакции (при повышении температуры) спиртового брожения, на заводе по производству спирта, даст больше спирта за тот же промежуток времени. Соответствующая реакция:

C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2.

Художнику: Вставить рисунок или данную фотографию

Ссылка на рисунок: http://freeppt4u.com/u/storage/ppt_1855/16ce4-1382195691-15.jpg

Отрицательное значение на производстве: Например, на молочном производстве увеличение скорости реакции спиртового брожения, даст уже отрицательный эффект.

Художнику: Вставить рисунок или данную фотографию

Вставить фотография: http://www. mmrusskih.ru/uploads/images/pictures/p_57.jpg

Тип объекта: Задание с открытым ответом/ЗОО

Название: Спиртовое и молочнокислое брожение

Содержание объекта:

Крупнейшим российским поставщиком этилового спирта из пищевого сырья является ОАО «РОССПИРТПРОМ», рейтинг «Топ-50 компаний-производителей сырого молока» возглавляет ООО «ЭкоНиваАгро». Запишите соответствующую реакцию брожения на предприятии ООО «ЭкоНиваАгро»

Приступить к выполнению

Конец объекта

1.2. Это интересно. Скорость в быту.

Гиперссылка:

Положительное значение в быту. Чистящие вещества, содержащие кислоты, позволяют быстро растворить известковый налет, но они так же отрицательно влияют, например, на хромовое покрытие смесителей для воды и т. д., поэтому в чистящие вещества добавляют специальные ингибиторы для уменьшения скорости реакций кислот с металлами.

Отрицательное значение в быту. Ускорение процессов гниения (разложение азотсодержащих органических соединений, в результате их ферментативного гидролиза).

Конец гиперссылки.

1.3. Это интересно. ИКТ компетентность.

Тип объекта: Задание с открытым ответом/ЗОО

Название: Приводим примеры и рассуждаем

Содержание объекта: Выберите положительное или отрицательное значение скорости химических реакций в быту и подготовьте устное сообщение, которое необходимо записать на диктофон или смартфон, загрузить данный файл в облако, скопировать ссылку на свой аудиофайл, вставить данную ссылку в «Запишите свой ответ». Если вы пока не умеете выполнять данные действия, то обратитесь за помощью к учителю информатики, и он объяснит вам, как работают облачные сервисы. Ваш рассказ должен длиться ровно 1 минуту.

Приступить к выполнению

Конец объекта

Гиперссылка:

1. 4. Это интересно. Химическая кинетика.

Гиперссылка:

Объект 1С: http://online.obr.1c.ru/library.html#searchMode=0&searchState=2&id=4423&type=1&title=%25D0%25A5%25D0%25B8%25D0%25BC%25D0%25B8%25D1%2587%25D0%25B5%25D1%2581%25D0%25BA%25D0%25B0%25D1%258F+%25D0%25BA%25D0%25B8%25D0%25BD%25D0%25B5%25D1%2582%25D0%25B8%25D0%25BA%25D0%25B0+%25D0%25B8+%25D1%2580%25D0%25B0%25D0%25B2%25D0%25BD%25D0%25BE%25D0%25B2%25D0%25B5%25D1%2581%25D0%25B8%25D0%25B5&resource-type=dlr&simpleSearchQuery=%25D0%259E%25D0%25B1%25D1%2580%25D0%25B0%25D1%2582%25D0%25B8%25D0%25BC%25D0%25BE%25D1%2581%25D1%2582%25D1%258C+%25D1%2580%25D0%25B5%25D0%25B0%25D0%25BA%25D1%2586%25D0%25B8%25D0%25B9.+%25D0%25A5%25D0%25B8%25D0%25BC%25D0%25B8%25D1%2587%25D0%25B5%25D1%2581%25D0%25BA%25D0%25BE%25D0%25B5+%25D1%2580%25D0%25B0%25D0%25B2%25D0%25BD%25D0%25BE%25D0%25B2%25D0%25B5%25D1%2581%25D0%25B8%25D0%25B5&view=search

2.1. Экология и скорость реакции.

Гиперссылка:

Последнее время в мире все чаще говорят про вред, который наносят окружающей среде полиэтиленовая упаковка, так как средний период полураспада полиэтилена составляет около 100 лет. Именно поэтому, достаточно актуальной темой является применение только экологически чистых материалов, которые будут полностью безопасны для окружающей среды.

Уже с весны этого года, многие компании начали переходить на новую, экологически чистую полиэтиленовую упаковку — биопакеты, тем самым участвуя в программе защиты окружающей среды.

Биопакеты не загрязняют окружающую среду. Специальная добавка d2W при изготовлении служит катализатором, который ускоряет процесс разложения. Полное время распада происходит за 3 года. Период распада зависит от факторов окружающей среды. В итоге полиэтиленовые пакеты полностью распадаются на безопасные для природы частицы — вода, гумус, углекислый газ.

Гиперссылка: добавка d2W

Биоразлагаемая добавка d2w: что это?

— Представляет собой мастербатч.
— Вводится в полимер в соотношении 1% добавки к 99% основного материала.
— Применяется в производстве изделий из полиэтилена, полипропилена, полистирола.
— Разлагает полимеры через заданный период времени (от нескольких месяцев до нескольких лет).
— Безопасна для контакта с пищевыми продуктами — подтверждено сертификатами испытаний ведущих лабораторий мира, в частности сертификатом лаборатории RAPRA.
— Производитель — Symphony Environmental Technologies plc, Великобритания

Добавка d2w: где используется?

— Пакеты для различных нужд.
— Изделия для медицины (перчатки, бахилы, фартуки).
— Полимерные пленки для упаковки продуктов питания, сигарет, одежды, журналов и т. д.
— Укрывные, пузырчатые пленки.
— Жесткая упаковка (одноразовая пластиковая тара и посуда, бутыли).

Биоразлагаемая добавка d2w: как работает? 

Является катализатором реакции разрушения и окисления углеродных связей в молекулах полимера через “запрограммированный” рецептурой период времени. В обычных условиях это занимает столетия! Оптимальна для биоразлагаемой упаковки с коротким сроком службы (в первую очередь — фасовочных пакетов).  Добавка успешно используется в 60 странах мира. Крупнейшие клиенты — розничные сети, сети отелей, ресторанов (Walmart, Tesco, KFC, Pizza Hut и многие другие).

Изображение: http://www.simplexnn.ru/?id=7024

2.2. Практическая работа. Техника безопасности

Гиперссылка:

Практическая работа

Влияние различных факторов на скорость химической реакции.

Цель: рассмотреть влияние различных факторов на скорость химической реакции.

Оборудование и реактивы: пробирки, спиртовка, держатель, штатив для пробирок, цинк, магний, железо: гранулы и порошок, растворы серной (1:5, 1:10) и соляной кислоты, пероксид водорода, оксид марганца (IV), оксид меди (II).

Ход работы:

Вспомните правила техники безопасности при выполнении химического эксперимента.

Многие вещества при попадании на кожу могут вызвать ожоги.  Никогда не берите вещества руками.

Некоторые вещества имеют неприятный запах, а их пары могут вызвать отравление.  Не подносите близко к лицу открытую склянку.

В химической лаборатории не пробуют на вкус даже известные вещества, они могут содержать примеси, ядовитые для человека.

Кислоты – едкие вещества. Разрушают и раздражают кожу, слизистые оболочки.

Если кислота или щёлочь попала на кожу, её надо немедленно промыть большим   количеством проточной воды.

Если зажечь спиртовку сразу же после снятия колпачка, загорается плёнка спирта на горлышке спиртовки как раз на том месте, где колпачок прилегает к горлышку. Пламя проникает под диск с трубкой, и пары спирта внутри резервуара загораются. Может произойти взрыв и выброс диска вместе с фитилём. Чтобы избежать этого, приподнимите на несколько секунд диск с фитилём для удаления паров. Если случится воспламенение паров, быстро отставьте в сторону предметы (тетрадь для практических работ) и позовите учителя.

Зажигать спиртовку только спичками, гасить крышкой или колпачком, накрывая сверху.

Запрещается передавать зажжённую спиртовку и зажигать одну спиртовку от другой.

При нагревании вещества в пробирке её необходимо сначала прогреть, отверстие    пробирки во время нагревания должно быть направлено от себя и соседа.        

Стекло – хрупкий материал, имеющий малое сопротивление при ударе и незначительную прочность при изгибе. Категорически запрещается использовать посуду, имеющую трещины и отбитые края.

Пробирку закрепляют в держателе так, чтобы от горлышка пробирки до держателя было расстояние 1 – 1, 5 см.

Опыты проводить с таким количеством  веществ, которые  указаны в методическом  руководстве по проведению каждого опыта.

Без разрешения учителя, ничего на столах не трогать.

Во время проведения эксперимента или оформлении отчёта  соблюдайте тишину.

После работы приведи порядок на рабочем месте.

Конец гиперссылки

2.3 Опыт 1

Влияние природы реагирующих веществ.

Налейте  в три пробирки по 2 мл раствора соляной кислоты. Положите в первый стакан кусочек магния, во второй стакан  — гранулу цинка, в третий – кусочек железа. Наблюдайте скорость трех реакций.  Какая из реакций самая быстрая и почему?

Запишите свой ответ в виде таблицы

Гиперссылка: таблицы

Описание эксперимента

Наблюдения, позволяющие судить о скорости реакции. Уравнения реакций

Вывод

Проверяем себя

Гиперссылка: проверяем себя

Описание эксперимента

Наблюдения, позволяющие судить о скорости реакции. Уравнения реакций

Вывод

Влияние природы реагирующих веществ

Налили в три пробирки по 2 мл раствора соляной кислоты. Положили в первый стакан кусочек магния, во второй стакан  — гранулу цинка, в третий – кусочек железа. Наблюдаем за скоростью трех реакций.

Выделение газа наиболее бурно происходит в пробирке с магнием.

Мg + 2HClMgCl2 +H2

 Zn + 2HClZnCl2 + H2

 Fe + 2HCl → FeCl2 + H2

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ. Магний обладает наиболее сильными восстановительными свойствами.

2.4. Опыт 2

 Влияние концентрации  реагирующих веществ.

В две пробирки, наклонив их, опустите по грануле цинка, осторожно прилейте растворы серной кислоты: в первую пробирку раствор кислоты 1:5, во вторую – 1:10. В какой из них реакция идет быстрее?

Запишите свой ответ в виде таблицы

Гиперссылка: таблицы

Описание эксперимента

Наблюдения, позволяющие судить о скорости реакции. Уравнения реакций

Вывод

Проверяем себя

Гиперссылка: проверяем себя

Описание эксперимента

Наблюдения, позволяющие судить о скорости реакции. Уравнения реакций

Вывод

Влияние концентрации  реагирующих веществ

В две пробирки, наклонив их, опустили по грануле цинка, осторожно прилили растворы серной кислоты: в первую пробирку раствор кислоты 1:5, во вторую – 1:10.

В первой пробирке газ выделяется более интенсивно.

Zn + h3SO4 → ZnSO4 + h3↑

Чем выше концентрация реагирующих веществ, тем чаще столкновения их частиц и тем выше скорость химической реакции.

2.5. Опыт 3

Влияние площади соприкосновения реагирующих веществ.

В одну пробирку насыпьте немного порошка железа, в другую – положите железную скрепку и в обе пробирки прилить по 2 мл разбавленной соляной кислоты (1:2). В какой из пробирок реакция идет быстрее? Почему?

Запишите свой ответ в виде таблицы

Гиперссылка: таблицы

Описание эксперимента

Наблюдения, позволяющие судить о скорости реакции. Уравнения реакций

Вывод

Проверяем себя

Гиперссылка: проверяем себя

Описание эксперимента

Наблюдения, позволяющие судить о скорости реакции. Уравнения реакций

Вывод

Влияние площади соприкосновения реагирующих веществ

В одну пробирку насыпали немного порошка железа, в другую – положили железную скрепку и в обе пробирки прилили по 2 мл разбавленной соляной кислоты (1:2).

Выделение газа идет быстрее в пробирке с порошком железа.

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2

Чем больше площадь соприкосновения реагирующих веществ, тем выше скорость химической реакции

2. 6. Опыт 4

Влияние температуры.

В де пробирки поместите немного черного порошка оксида меди (II), прилейте в обе пробирки раствор серной кислоты. Одну из пробирок нагрейте. В какой из пробирок  реакция идет быстрее? Почему?

Запишите свой ответ в виде таблицы

Гиперссылка: таблицы

Описание эксперимента

Наблюдения, позволяющие судить о скорости реакции. Уравнения реакций

Вывод

Проверяем себя

Гиперссылка: проверяем себя

Описание эксперимента

Наблюдения, позволяющие судить о скорости реакции. Уравнения реакций

Вывод

Влияние температуры

В две пробирки поместили немного черного порошка оксида меди (II), прилили в обе пробирки раствор серной кислоты. Одну из пробирок нагрели.

Растворение оксида меди (II) и образование раствора голубого цвета идет быстрее при нагревании.

СuO + H2SO4CuSO4 + H2O

При повышении температуры возрастает скорость движения частиц и скорость химической реакции.

2.7. Опыт 5

Влияние катализатора.

В две пробирки налейте по 2 мл пероксида водорода Н2О2, в одну из пробирок добавьте несколько кристалликов оксида марганца (IV) MnO2. В какой из пробирок  реакция идет быстрее? Почему?

Запишите свой ответ в виде таблицы

Гиперссылка: таблицы

Описание эксперимента

Наблюдения, позволяющие судить о скорости реакции. Уравнения реакций

Вывод

Проверяем себя

Гиперссылка: проверяем себя

Описание эксперимента

Наблюдения, позволяющие судить о скорости реакции. Уравнения реакций

Вывод

Влияние катализатора

В две пробирки налейте по 2 мл пероксида водорода Н2О2, в одну из пробирок добавьте несколько кристалликов оксида марганца (IV) MnO2.

В присутствии оксида марганца (IV) происходит бурное выделение пузырьков газа.

2О2 2Н2О + О2

Оксид марганца (IV) – катализатор, ускоряет реакцию разложения пероксида водорода.

Урок 5. Скорость химической реакции – HIMI4KA

У нас вышел новый курс, где всё объясняется ещё проще. Подробннее по ссылке

Зависимость скорости химической реакции от различных факторов

Понятие «скорость» довольно часто встречается в литературе. Из физики известно, что чем большее расстояние преодолеет материальное тело (человек, поезд, космический корабль) за определённый отрезок времени, тем выше скорость этого тела.

А как измерить скорость химической реакции, которая никуда «не идёт» и никакое расстояние не преодолевает? Для того чтобы ответить на этот вопрос, следует выяснить, а что всегда меняется в любой химической реакции? Поскольку любая химическая реакция — это процесс изменения вещества, то исходное вещество в ней исчезает, превращаясь в продукты реакции. Таким образом, в ходе химической реакции всегда изменяется количество вещества, уменьшается число частиц исходных веществ, а значит, и его концентрация (С).

Задание ЕГЭ. Скорость химической реакции пропорциональна изменению:

  1. концентрации вещества в единицу времени;
  2. количеству вещества в единице объёма;
  3. массы вещества в единице объёма;
  4. объёму вещества в ходе реакции.

А теперь сравните свой ответ с правильным:

скорость химической реакции равна изменению концентрации реагирующего вещества в единицу времени

где С1 и С0 — концентрации реагирующих веществ, конечная и начальная, соответственно; t1 и t2 — время эксперимента, конечный и начальный отрезок времени, соответственно.

Вопрос. Как вы считаете, какая величина больше: С1 или С0? t1или t0?

Поскольку реагирующие вещества всегда расходуются в данной реакции, то

Таким образом, отношение этих величин всегда отрицательно, а скорость не может быть величиной отрицательной. Поэтому в формуле появляется знак «минус», который одновременно говорит о том, что скорость любой реакции с течением времени (при неизменных условиях) всегда уменьшается.

Итак, скорость химической реакции равна:

Возникает вопрос, в каких единицах следует измерять концентрацию реагирующих веществ (С) и почему? Для того чтобы ответить на него, нужно понять, какое условие является главным для протекания любой химической реакции.

Для того чтобы частицы прореагировали, необходимо, чтобы они, как минимум, столкнулись. Поэтому чем выше число частиц* (число молей) в единице объёма, тем чаще они сталкиваются, тем выше вероятность химической реакции.

* О том, что такое «моль», читай в уроке 29.1.

Поэтому при измерении скоростей химических процессов используют молярную концентрацию веществ в реагирующих смесях.

Молярная концентрация вещества показывает, сколько молей его содержится в 1 литре раствора

Итак, чем больше молярная концентрация реагирующих веществ, тем больше частиц в единице объёма, тем чаще они сталкиваются, тем выше (при прочих равных условиях) скорость химической реакции. Поэтому основным законом химической кинетики (это наука о скорости химических реакций) является закон действующих масс.

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для реакции типа А + В →… математически этот закон можно выразить так:

Если реакция более сложная, например, 2A + B → или, что тоже самое А + А + В → …, то

Таким образом, в уравнении скорости появился показатель степени «два», который соответствует коэффициенту 2 в уравнении реакции. Для более сложных уравнений большие показатели степеней, как правило, не используют. Это связано с тем, что вероятность одновременного столкновения, скажем, трёх молекул А и двух молекул В крайне мала. Поэтому многие реакции протекают в несколько стадий, в ходе которых сталкивается не более трёх частиц, и каждая стадия процесса протекает с определённой скоростью. Эту скорость и кинетическое уравнение скорости для неё определяют экспериментально.

Вышеприведённые уравнения скорости химической реакции (3) или (4) справедливы только для гомогенных реакций, т. е. для таких реакций, когда реагирующие вещества не разделяет поверхность. Например, реакция происходит в водном растворе, и оба реагирующих вещества хорошо растворимы в воде или для любой смеси газов.

Другое дело, когда происходит гетерогенная реакция. В этом случае между реагирующими веществами имеется поверхность раздела, например, углекислый газ реагирует с водным раствором щёлочи. В этом случае любая молекула газа с равной вероятностью может вступить в реакцию, поскольку эти молекулы быстро и хаотично двигаются. А частицы жидкого раствора? Эти частицы двигаются чрезвычайно медленно, и те частицы щёлочи, которые находятся «на дне», практически не имеют шансов вступить в реакцию с углекислым газом, если раствор не перемешивать постоянно. Реагировать будут только те частицы, которые «лежат на поверхности». Значит, для гетерогенных реакций —

скорость реакции зависит от величины площади поверхности раздела, которая увеличивается при измельчении.

Поэтому очень часто реагирующие вещества измельчают (например, растворяют в воде), пищу тщательно пережёвывают, а в процессе приготовления — растирают, пропускают через мясорубку и т. д. Не измельчённый пищевой продукт практически не усваивается!

Таким образом, с максимальной скоростью (при прочих равных условиях) протекают гомогенные реакции в растворах и между газами, (если эти газы реагируют при н. у.), причём в растворах, где молекулы располагаются «рядом», а измельчение такое же, как в газах (и даже больше!), — скорость реакции выше.

Задание ЕГЭ. Какая из реакций протекает с наибольшей скоростью при комнатной температуре:

  1. углерода с кислородом;
  2. железа с соляной кислотой;
  3. железа с раствором уксусной кислоты
  4. растворов щёлочи и серной кислоты.

В данном случае нужно найти, какой процесс является гомогенным.

Следует отметить, что скорость химической реакции между газами или гетерогенной реакции, в которой участвует газ, зависит и от давления, поскольку при увеличении давления газы сжимаются, и концентрация частиц увеличивается (см. формулу 2). На скорость реакций, в которых газы не участвуют, изменение давления влияния не оказывает.

Задание ЕГЭ. На скорость химической реакции между раствором кислоты и железом не оказывает влияния

  1. концентрация кислоты;
  2. измельчение железа;
  3. температура реакции;
  4. увеличение давления.

И наконец, скорость реакции зависит и от реакционной способности веществ. Например, если с веществом реагирует кислород, то при прочих равных условиях, скорость реакции будет выше, чем при взаимодействии этого же вещества с азотом. Дело в том, что реакционная способность кислорода заметно выше, чем у азота. Причину этого явления мы рассмотрим в следующей части Самоучителя (урок 14).

Задание ЕГЭ. С большей скоростью идёт химическая реакция между соляной кислотой и

  1. медью;
  2. железом;
  3. магнием;
  4. цинком.

Следует отметить, что далеко не каждое столкновение молекул приводит к их химическому взаимодействию (химической реакции). В газовой смеси водорода и кислорода при обычных условиях происходит несколько миллиардов столкновений в секунду. Но первые признаки реакции (капельки воды) появятся в колбе только через несколько лет. В таких случаях говорят, что реакция практически не идёт. Но она возможна, иначе чем объяснить тот факт, что при нагревании этой смеси до 300 °C колба быстро запотевает, а при температуре 700 °C прогремит страшный взрыв! Недаром смесь водорода и кислорода называют «гремучим газом».

Вопрос. Как вы полагаете, почему скорость реакции так резко возрастает при нагревании?

Скорость реакции возрастает потому, что, во-первых, увеличивается число столкновений частиц, а во-вторых, увеличивается число активных столкновений. Именно активные соударения частиц приводят к их взаимодействию. Для того чтобы произошло такое соударение, частицы должны обладать определённым запасом энергии.

Энергия, которой должны обладать частицы, для того чтобы произошла химическая реакция, называется энергией активации.

Эта энергия расходуется на преодоление сил отталкивания между внешними электронами атомов и молекул и на разрушение «старых» химических связей.

Возникает вопрос: как повысить энергию реагирующих частиц? Ответ простой — повысить температуру, поскольку при повышении температуры возрастает скорость движения частиц, а, следовательно, их кинетическая энергия.

Правило Вант-Гоффа*:

при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции возрастает в 2–4 раза.

ВАНТ-ГОФФ Якоб Хендрик (30.08.1852–1.03.1911) — голландский химик. Один из основателей физической химии и стереохимии. Нобелевская премия по химии № 1 (1901).

Следует заметить, что это правило (не закон!) было установлено экспериментально для реакций, «удобных» для измерения, то есть для таких реакций, которые протекали не слишком быстро и не слишком медленно и при температурах, доступных экспериментатору (не слишком высоких и не слишком низких).

Вопрос. Как вы полагаете, как можно быстрее приготовить картофель: отварить его или обжарить в слое масла?

Если мы хотим сохранить пищевые продукты, — мы их охлаждаем или замораживаем.

Для того чтобы как следует уяснить себе смысл описываемых явлений, можно сравнить реагирующие молекулы с группой учеников, которым предстоит прыгать в высоту. Если им поставлен барьер высотой 1 м, то ученикам придётся как следует разбежаться (повысить свою «температуру»), чтобы преодолеть барьер. Тем не менее всегда найдутся ученики («неактивные молекулы»), которые взять этот барьер не смогут.

Что делать? Если придерживаться принципа: «Умный в гору не пойдёт, умный гору обойдёт», то следует просто опустить барьер, скажем, до 40 см. Тогда любой ученик сможет преодолеть барьер. На молекулярном уровне это означает: для того чтобы увеличить скорость реакции, нужно уменьшить энергию активации в данной системе.

В реальных химических процессах эту функцию выполняет катализатор.

Катализатор — это вещество, которое изменяет скорость химической реакции, оставаясь при этом неизменным к концу химической реакции.

Катализатор участвует в химической реакции, взаимодействуя с одним или несколькими исходными веществами. При этом образуются промежуточные соединения, и изменяется энергия активации. Если промежуточное соединение более активно (активный комплекс), то энергия активации понижается, а скорость реакции увеличивается.

Например, реакция между SO2 и О2 происходит очень медленно, при нормальных условиях практически не идёт. Но в присутствии NO скорость реакции резко возрастает. Сначала NO очень быстро реагирует с O2:

полученный диоксид азота быстро реагирует с оксидом серы (IV):

Задание 5.1. Покажите на этом примере, какое вещество является катализатором, а какое — активным комплексом.

И наоборот, если образуются более пассивные соединения, то энергия активации может возрасти настолько, что реакция при данных условиях практически происходить не будет. Такие катализаторы называются ингибиторами.

На практике применяются оба типа катализаторов. Так особые органические катализаторы — ферменты — участвуют абсолютно во всех биохимических процессах: переваривании пищи, сокращении мышц, дыхании. Без ферментов невозможно существование жизни!

Ингибиторы необходимы для того, чтобы защитить металлические изделия от коррозии, жиросодержащие пищевые продукты от окисления (прогоркания). Некоторые лекарства также содержат ингибиторы, которые угнетают жизненные функции микроорганизмов и тем самым уничтожают их.

Катализ может быть гомогенным и гетерогенным. Примером гомогенного катализа служит действие NO (это катализатор) на процесс окисления диоксида серы. Примером гетерогенного катализа может служить действие нагретой меди на спирт:

Эта реакция идёт в две стадии:

Задание 5.2. Определите, какое вещество в этом случае является катализатором? Почему этот вид катализа называется гетерогенным?

На практике чаще всего используется гетерогенный катализ, где катализаторами служат твёрдые вещества: металлы, их оксиды и др. На поверхности этих веществ имеются особые точки (узлы кристаллической решётки), где, собственно и происходит каталитическая реакция. Если эти точки закрыть посторонними веществом, то катализ прекращается. Это вещество, губительное для катализатора, называется каталитическим ядом. Другие вещества — промоторы — наоборот, усиливают каталитическую активность.

Катализатор может изменить направление химической реакции, то есть, меняя катализатор, можно получать разные продукты реакции. Так, из спирта C2H5OH в присутствии оксидов цинка и алюминия можно получить бутадиен, а в присутствии концентрированной серной кислоты — этилен.

Таким образом, в ходе химической реакции изменяется энергия системы. Если в ходе реакции энергия выделяется в виде теплоты Q, такой процесс называется экзотермическим:

Для эндотермических процессов теплота поглощается, т. е. тепловой эффект Q < 0.

Задание 5.3. Определить, какой из предложенных процессов экзотермический, а какой — эндотермический:

Уравнение химической реакции, в котором указан тепловой эффект, называется термохимическим уравнением реакции. Для того чтобы составить такое уравнение, необходимо рассчитать тепловой эффект на 1 моль реагирующего вещества.

Задача. При сжигании 6 г магния выделилось 153,5 кДж теплоты. Составить термохимическое уравнение этой реакции.

Решение. Составим уравнение реакции и укажем НАД формулами, что дано:

Составив пропорцию, найдём искомый тепловой эффект реакции:

Термохимическое уравнение этой реакции:

или

Такие задачи приведены в заданиях большинства вариантов ЕГЭ! Например.

Задание ЕГЭ. Согласно термохимическому уравнению реакции

количество теплоты, выделившейся при сжигании 8 г метана, равно:

Обратимость химических процессов. Принцип Ле-Шателье

* ЛЕ ШАТЕЛЬЕ Анри Луи (8.10.1850–17.09.1936) — французский физико-химик и металловед. Сформулировал общий закон смещения равновесия (1884).

Реакции бывают обратимыми и необратимыми.

Необратимыми называют такие реакции, для которых не существует условий, при которых возможен обратный процесс.

Примером таких реакций могут служить реакции, которые происходят при скисании молока, или когда сгорела вкусная котлета. Как невозможно пропустить мясной фарш назад через мясорубку (и получить снова кусок мяса), также невозможно «реанимировать» котлету или сделать свежим молоко.

Но зададим себе простой вопрос: является ли необратимым процесс:

Для того чтобы ответить на этот вопрос, попробуем вспомнить, можно ли осуществить обратный процесс? Да! Разложение известняка (мела) с целью получить негашёную известь СаО используется в промышленном масштабе:

Таким образом реакция является обратимой, так как существуют условия, при которых с ощутимой скоростью протекают оба процесса:

Более того, существуют условия, при которых скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции.

В этих условиях устанавливается химическое равновесие. В это время реакция не прекращается, но число полученных частиц равно числу разложившихся частиц. Поэтому в состоянии химического равновесия концентрации реагирующих частиц не изменяются. Например, для нашего процесса в момент химического равновесия

знак [ ] означает равновесная концентрация.

Возникает вопрос, что произойдёт с равновесием, если повысить или понизить температуру, изменить другие условия? Ответить на подобный вопрос можно, зная принцип Ле-Шателье:

если изменить условия (t, p, c), при которых система находится в состоянии равновесия, то равновесие сместится в сторону того процесса, который противодействует изменению.

Другими словами, равновесная система всегда противится любому воздействию извне, как противится воле родителей капризный ребёнок, который делает «всё наоборот».

Рассмотрим пример. Пусть установилось равновесие в реакции получения аммиака:

Вопросы. Одинаково ли число молей реагирующих газов до и после реакции? Если реакция идёт в замкнутом объёме, когда давление больше: до или после реакции?

Очевидно, что данный процесс происходит с уменьшением числа молекул газов, значит, давление в ходе прямой реакции уменьшается. В обратной реакции — наоборот, давление в смеси увеличивается.

Зададим себе вопрос, что произойдёт, если в этой системе повысить давление? По принципу Ле-Шателье пойдёт та реакция, которая «делает наоборот», т. е. понижает давление. Это — прямая реакция: меньше молекул газа — меньше давление.

Итак, при повышении давления равновесие смещается в сторону прямого процесса, где давление понижается, так как уменьшается число молекул газов.

Задание ЕГЭ. При повышении давления равновесие смещается вправо в системе:

Если в результате реакции число молекул газов не меняется, то изменение давления на положение равновесия не оказывает влияние.

Задание ЕГЭ. Изменение давления оказывает влияние на смещение равновесия в системе:

Положение равновесия этой и любой другой реакции зависит от концентрации реагирующих веществ: увеличивая концентрацию исходных веществ и уменьшая концентрацию полученных веществ, мы всегда смещаем равновесие в сторону прямой реакции (вправо).

Задание ЕГЭ. Химическое равновесие в системе

сместится влево при:

  1. повышении давления;
  2. понижении температуры;
  3. повышении концентрации СО;
  4. понижении концентрации СО.

Процесс синтеза аммиака экзотермичен, то есть сопровождается выделением теплоты, то есть повышением температуры в смеси.

Вопрос. Как сместится равновесие в этой системе при понижении температуры?

Рассуждая аналогично, делаем вывод: при понижении температуры равновесие сместится в сторону образования аммиака, так как в этой реакции теплота выделяется, а температура повышается.

Вопрос. Как изменится скорость химической реакции при понижении температуры?

Очевидно, что при понижении температуры резко понизится скорость обеих реакций, т. е. придётся очень долго ждать, когда же установится желаемое равновесие. Что делать? В этом случае необходим катализатор. Он хотя и не влияет на положение равновесия, но ускоряет наступление этого состояния.

Задание ЕГЭ. Химическое равновесие в системе

смещается в сторону образования продукта реакции при:

  1. повышении давления;
  2. повышении температуры;
  3. понижении давления;
  4. применении катализатора.

Выводы

Скорость химической реакции зависит от:

  • природы реагирующих частиц;
  • концентрации или площади поверхности раздела реагирующих веществ;
  • температуры;
  • наличия катализатора.

Равновесие устанавливается, когда скорость прямой реакции равна скорости обратного процесса. В этом случае равновесная концентрация реагирующих веществ не меняется. Состояние химического равновесия зависит от условий и подчиняется принципу Ле-Шателье.

Хотите ещё проще? Мы создали новый курс, где максимум за 7 дней вы овладете химией с нуля. Подробннее по ссылке

Скорость химической реакции, подготовка к ЕГЭ по химии

Скорость химической реакции — основное понятие химической кинетики, выражающее отношения количества
прореагировавшего вещества (в молях) к отрезку времени, за которое произошло взаимодействие.

Скорость реакции отражает изменение концентраций реагирующих веществ за единицу времени. Единицы измерения для гомогенной реакции:
моль/л * сек. Физический смысл в том, что каждую секунду какое-то количество одного вещества превращается в
другое в единице объема.

Мне встречались задачи, где была дана молярная концентрация вещества до реакции и после, время и объем. Требовалось посчитать скорость
реакции. Давайте решим подобное несложное задание для примера:

Молярная концентрация вещества до реакции составляла 1.5 моль/л по итогу реакции — 3 моль/л. Объем смеси 10 литров, реакция заняла 20 секунд.
Рассчитайте скорость реакции.

Влияние природы реагирующих веществ

При изучении агрегатных состояний веществ возникает вопрос: где же быстрее всего идут реакции: между газами, растворами или твердыми веществами?

Запомните, что самая высокая скорость реакции между растворами, в жидкостях. В газах она несколько ниже.

Если реакция гетерогенная: жидкость + твердое вещество, газ + твердое вещество, жидкость + газ, то большую роль играет площадь соприкосновения
реагирующих веществ.

Очевидно, что большой кусок железа, положенный в соляную кислоту, будет гораздо дольше реагировать с ней, нежели чем измельченное
железо — железная стружка.

Химическая активность также играет важную роль. Например, отвечая на вопрос: какой из металлов Li или K быстрее прореагирует с водой? Мы отдадим
предпочтение литию, так как в ряду активности металлов он стоит левее калия, а значит литий активнее калия.

Иногда для верного ответа на вопрос о скорости реакции требуется знание активности кислот. Мы подробнее обсудим эту тему в гидролизе, однако сейчас
я замечу: чем сильнее (активнее) кислота, тем быстрее идет реакция.

Например, реакцию магния с серной кислотой протекает гораздо быстрее реакции магния с уксусной кислотой. Причиной этому служит то, что серная кислота
относится к сильным (активным) кислотам, а активность уксусной кислоты меньше, она является слабой кислотой.

Как я уже упомянул, слабые и сильные кислоты и основания изучаются в теме гидролиз.

Влияние изменения концентрации

Влияние концентрации «прямо пропорционально» скорости реакции: при увлечении концентрации реагирующего вещества скорость реакции повышается, при
уменьшении — понижается.

Замечу деталь, которая может оказаться важной, если в реакции участвуют газы: при увеличении давления концентрация вещества на единицу объема
возрастает (представьте, как газ сжимается). Поэтому увеличение давление, если среди исходных веществ есть газ, увеличивает скорость реакции.

Закон действующих масс устанавливает соотношение между концентрациями реагирующих веществ и их продуктами. Скорость простой реакции
aA + bB → cC определяют по уравнению:

υ = k × СaA × СbB

Физический смысл константы скорости — k — в том, что она численно равна скорости реакции при том условии, что концентрации реагирующих
веществ равны 1. Обратите внимание, что стехиометрические коэффициенты уравнения переносятся в степени — a и b.

Записанное выше следствие закона действующих масс нужно не только «зазубрить», но и понять. Поэтому мы решим пару задач, где потребуется
написать подобную формулу.

Окисление диоксида серы протекает по уравнению: 2SO2(г) + O2 = 2SO3(г). Как изменится скорость этой реакции,
если объемы системы уменьшить в три раза?

По итогу решения становится ясно, что скорость реакции в таком случае возрастет в 27 раз.

Решим еще одну задачу. Дана реакция синтеза аммиака: N2 + ЗН2 = 2NH3. Как изменится скорость прямой реакции
образования аммиака, если уменьшить концентрацию водорода в два раза?

В результате решения мы видим, что при уменьшении концентрации водорода в два раза скорость реакции замедлится в 8 раз.

Влияние изменения температуры на скорость реакции

Постулат, который рекомендую временно взять на вооружение: «Увеличение температуры увеличивает скорость абсолютно любой химической реакции: как
экзотермической, так и эндотермической. Исключений нет».

Очень часто в заданиях следующей темы — химическом равновесии, вас будут пытаться запутать и ввести в заблуждении, но вы не поддавайтесь
и помните про постулат!

Итак, влияние температуры на скорость реакции «прямо пропорционально»: чем выше температура, тем выше скорость реакции — чем ниже
температура, тем меньше и скорость реакции. Однако, как и в случае с концентрацией, это больше чем простая «пропорция».

Правило Вант-Гоффа, голландского химика, позволяет точно оценить влияние температуры на скорость химической реакции. Оно звучит так:
«При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в два — четыре раза»

В формуле, написанной выше, используются следующие обозначение:

  • υ1 — скорость реакции при температуре t1
  • υ2 — скорость реакции при температуре t2
  • γ — температурный коэффициент, который может быть равен 2-4

Если по итогам решения задач у вас получится температурный коэффициент меньше 2 или больше 4, то, скорее всего, где-то вы допустили ошибку.
Используйте этот факт для самопроверки.

Для тренировки решим пару задач, в которых потребуется использование правило Вант-Гоффа.

Как изменится скорость гомогенной реакции при повышении температуры от 27°C до 57°C при температурном коэффициенте, равном трем?

Иногда в задачах требуется рассчитать температурный коэффициент, как, например, здесь: «Рассчитайте, чему равен температурный коэффициент
скорости, если известно, что при понижении температуры от 250°C до 220°C скорость реакции уменьшилась в 8 раз».

Катализаторы и ингибиторы

Катализатор (греч. katalysis — разрушение) — вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не участвующее в ней. Катализатор не расходуется в химической реакции.

Многие химические реакции в нашем организме протекают с участием катализаторов — белковых молекул, ферментов. Без катализаторов
подобные реакции шли бы сотни лет, а с катализаторами идут одну долю секунды.

Катализом называют явление ускорения химической реакции под действием катализатора, а химические реакции, идущие с участием катализатора
— каталитическими.

Ингибитор (лат. inhibere — задерживать) — вещество, замедляющее или предотвращающее протекание какой-либо химической реакции.

Ингибиторы применяют для замедления коррозии металла, окисления топлива, старения полимеров. Многие лекарственные вещества
являются ингибиторами.

Так при лечении гастрита — воспаления желудка (греч. gaster — желудок) или язв часто назначаются ингибиторы протонной помпы — химические вещества,
которые блокирует выработку HCl слизистой желудке. В результате этого соляная кислота прекращает воздействие на поврежденную стенку желудка,
воспаление стихает.


© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021


Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Примеры лабораторных работ

Контент страницы


  • Лабораторные работы по курсу «Химия» для обучающихся по всем направлениям подготовки на 1 курсе
    • Эквивалент и молярная масса эквивалентов. Определение молярной массы эквивалента металла (Mg, Al, Zn) методом вытеснения водорода.
    • Определение молярной массы эквивалента вещества в реакциях обмена.
    • Электронная структура атомов и одноатомных ионов.
    • Металлы побочных подгрупп.Комплексные соединения меди. Получение комплексных соединений меди, цинка и кадмия.
    • Измерение тепловых эффектов химических реакций. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием.
    • Химическое равновесие.Влияние концентрации реагентов на химическое равновесие.
    • Кинетика химических реакций. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.
    • Кинетика химических реакций. Зависимость скорости реакции от температуры.
    • Водородный показатель среды. Измерение водородного показателя среды растворасоляной кислоты электрохимическим методом.
    • Водородный показатель среды. Зависимость рН раствора уксусной кислоты от концентрации.
    • Гидролиз солей. Гидролиз соли, образованной сильным основанием и слабой кислотой.
    • Гидролиз соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой.
    • Электродвижущие силы (ЭДС) и напряжение гальванических элементов.Влияние концентрации растворов электролитов на ЭДС и напряжение гальванического элемента.
    • Электролиз. Электролиз водного раствора сульфата натрия с растворимыми электродами.
    • Коррозия металлов. Коррозия железа в контакте с углеродом.
    • Защита металлов от коррозии. Анодные и катодные защитные покрытия.
    Лабораторные работы по курсу «Химия» в системе дистанционного обучения «Прометей»
    • Измерение тепловых эффектов химических реакций.
    • Исследование кинетики гомогенной реакции
    • Водородный показатель среды pH
    • Гидролиз солей
    • Гальванический элемент
    • Электролиз
    • Влияние ингибиторов на скорость коррозии металла
    • Адсорбция
    • Определение жесткости и умягчение воды
    • Кинетика химических реакций
    • Комплексные соединения
    • Определение молярной массы эквивалента металлов
    • Топливные элементы с щелочным электролитом
    • Химическое равновесие в гетерогенных системах
    • Эквивалент и молярная масса эквивалента
    Лабораторные работы по курсу «Физическая химия» для обучающихся в ИПЭЭф на 2 курсе
    • Определение концентрации кислорода, растворенного в воде
    • Адсорбционное равновесие
    • Определение жесткости и умягчения воды​

    ​​​​

Химия — Скорость реакции

Скорость реакции — мощный диагностический инструмент. Узнав, как быстро производятся продукты и что вызывает замедление реакции, мы можем разработать методы улучшения производства. Эта информация важна для крупномасштабного производства многих химикатов, включая удобрения, лекарства и бытовые чистящие средства.

Как мы отслеживаем скорость реакции?

Во-первых, важно понять, что такое скорость реакции.Когда происходит реакция, молекулы сталкиваются вместе с достаточной энергией для того, чтобы реагенты расщеплялись или превращались в новый вид, известный как продукт (часто существует более одного продукта). Таким образом, скорость реакции — это фактически скорость образования продукта, а также скорость, с которой расходуется реагент. Поскольку реакции требуют, чтобы молекулы преодолели определенный энергетический барьер для успешного столкновения, скорость реакции часто указывает, являются ли условия адекватными для того, чтобы это произошло.Например, низкая скорость реакции может указывать на то, что не многие столкновения происходят с силой, достаточной для разрыва химических связей реагентов, поэтому продукт не производится так быстро. Если это известно, производители могут исследовать лучший способ увеличения числа успешных столкновений молекул для увеличения выхода.

Итак, важно уметь измерять скорость реакции, но как это сделать? Было бы очень сложно контролировать производимое или используемое конкретное химическое вещество, поскольку реакции часто представляют собой запутанную смесь, но довольно часто мы можем наблюдать очевидные побочные эффекты, которые легко измерить.Например, экзотермическая реакция может выделять тепло, и мы можем отслеживать изменение температуры с течением времени. При других реакциях, таких как добавление соляной кислоты к образцу магния, образуется газообразный водород. Это вызывает шипение (шикарное слово для обозначения пузырей!). Пузырьки можно легко подсчитать, и сравнение количества пузырьков, образовавшихся за установленное время, когда вы изменяете другой аспект реакции, такой как температура или концентрация кислоты, позволяет нам увидеть, как изменяется скорость реакции.

Еще один распространенный эксперимент A Level, с которым вы можете столкнуться, — это часы с йодом.На этот раз за реакцией следят, записывая, сколько времени нужно, чтобы увидеть изменение цвета раствора, что объясняется в видео ниже. Во избежание ложных результатов важно убедиться, что в экспериментах все одинаково, за исключением переменной, которую вы изменяете, в данном случае концентрации тиосульфата. Может помочь работа в парах: один человек нажимает на таймер, а другой запускает реакцию, так что вы можете запускать часы в одной и той же точке для каждого эксперимента.

Почему нам нужно знать скорость реакции?

Скорость реакции

Скорость уравнения реакции

Это то, что всех заставляет нервничать; уравнения! Они могут выглядеть сложными, а иногда и совершенно другим языком, но на самом деле они очень полезны.Они позволяют нам определить, какие реагенты отвечают за скорость реакции, на основе очень простых экспериментальных измерений, подобных упомянутым выше.

Во время экзамена или в классе вам может быть предоставлена ​​таблица данных, которая показывает, как изменяется скорость реакции, когда вы меняете концентрацию каждого из реагентов. Из этой информации мы можем составить уравнение ставки.

Скоростные уравнения имеют вид:

k — константа скорости.Это значение, которое говорит нам, насколько быстрой или медленной является реакция. Поскольку на скорость реакции может влиять ряд переменных, таких как температура или концентрация реагента, константа скорости также будет изменяться. Все, что находится в квадратных скобках ([]), означает, что мы имеем в виду концентрацию реагента в скобках, в данном случае концентрацию A и B. Последние две буквы, m и n, даны как степени концентрации . Числа, которые заменяют m и n, показывают, как скорость зависит от индивидуального реагента.Это известно как порядок реакции для данного вида.

Если скорость реакции не меняется при изменении концентрации A, то мы знаем, что скорость не зависит от A. В этом случае мы можем записать m как ноль и сказать, что порядок относительно A равен нулю. Все, что находится в нулевой степени, равно единице, и поэтому мы можем удалить это, поскольку мы просто умножаем остальную часть уравнения скорости на единицу. Это просто!

Для реакций первого порядка m равно единице. Поскольку A в степени 1, мы можем просто написать [A].На практике это означает, что по мере увеличения концентрации A скорость реакции будет увеличиваться в той же пропорции, например, если вы удвоите количество A, скорость также удвоится. Тот же принцип применяется к реакции второго порядка, но на этот раз m равно 2, поэтому, если вы удвоите A, вы получите в два раза больше исходного количества A в степени 2, а 22 будет равно 4. Таким образом, если вы удвоите A, коэффициент реакции увеличится в четыре раза.

Отлично, так что готово, а как насчет B? Что ж, кстати, это то же самое, что облегчает жизнь каждому! Вас никогда не попросят заказать более двух реагентов, и если реагентов больше двух, не беспокойтесь, просто добавьте их, как вы делали с A и B.

Лабораторные признания

В подкасте «Лаборатория исповеди» исследователи рассказывают о своем лабораторном опыте в контексте практических экзаменов A Level. В этом эпизоде ​​мы рассмотрим подходящую аппаратуру для записи измерений и измерения скорости реакции с помощью методов непрерывного мониторинга и начальной скорости.

Скорость реакции в промышленности

Возможность интерпретации данных о скорости реакции необходима во многих областях производства и исследований.Одно из самых важных отраслевых приложений — это процесс Хабера, который вы, возможно, изучали на GCSE или A Level. Это включает в себя преобразование газообразного азота и водорода в аммиак, а аммиак имеет широкий спектр применения — от чистящих средств до оружия. Контролируя скорости, Хабер обнаружил, что скорость реакции во многом зависит от того факта, что тройную связь в азоте действительно трудно разорвать. Он и его помощник смогли разработать катализаторы, которые позволили этому процессу протекать гораздо быстрее.Этому процессу 100 лет, но он используется до сих пор!

Следующие шаги

Эти ссылки предоставлены только для удобства и в информационных целях; они не означают одобрения или одобрения Бирмингемским университетом какой-либо информации, содержащейся на внешнем веб-сайте. Бирмингемский университет не несет ответственности за точность, законность или содержание внешнего сайта или последующих ссылок. Пожалуйста, свяжитесь с внешним сайтом для получения ответов на вопросы относительно его содержания.

Скорость химических реакций

Доктор Дуг Стюарт

Скорость реакции говорит нам, насколько быстро реагенты → продукты.

Вы знали?

Взрывы являются результатом очень высокой скорости химической реакции. Взрывчатые вещества — это твердые химические вещества, которые очень быстро реагируют с образованием горячего газа, который выдувает все наружу.

Взрывоопасные
химические реакции

Не все химические реакции одинаковы.

Некоторые из них от природы быстры, например, когда вы помещаете пламя в водород в присутствии кислорода в тесте на выталкивание.

Некоторые из них медленны по своей природе, например, железо ржавеет в присутствии кислорода и воды.

Вещи, влияющие на скорость химических реакций

Можно ускорить или замедлить скорость реакции, изменив один или несколько из трех параметров:

  • температура
  • Размер частиц
  • Концентрация реагентов

Вы также можете ускорить реакцию, используя катализатор , который мы рассмотрим позже на этой странице.

Примеры изменения скорости реакции

1. Повышение температуры

Если мы увеличим температуру, химические реакции идут быстрее.

Например, шипучие таблетки реагируют с водой с выделением газообразного диоксида углерода.

В этом видео вы можете увидеть эффект горячей воды по сравнению с холодной водой.

2. Уменьшение размера частиц

Если уменьшить размер частиц, химические реакции идут быстрее.Например, кусок стали не сгорит легко. Металлическая вата будет гореть очень легко, как вы можете видеть на видео.

Основная химическая реакция, которую вы видите в этом видео:

железо + кислород → оксид железа

3. Повышение концентрации

Если увеличить концентрацию реагентов, химические реакции идут быстрее.

Например, жидкий кислород примерно в 800 раз более концентрированный, чем газообразный кислород. Газообразный кислород составляет примерно 20 процентов воздуха, а это означает, что жидкий кислород примерно в 4000 раз более концентрирован, чем кислород в окружающем нас воздухе.

Влияние высокой концентрации кислорода на горение драматично, как вы можете видеть на видео. Не пробуйте ничего подобного дома!

Катализаторы

В дополнение к трем методам, показанным выше, катализатор можно использовать для увеличения скорости реакции.

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в ходе реакции; следовательно, катализатор может быть восстановлен химически без изменений в конце реакции, которую он был использован для ускорения, или катализировать .

Чтобы химические вещества вступили в реакцию, их связи должны быть перегруппированы, потому что очевидно, что связи в продуктах отличаются от связей в реагентах.

Самая медленная стадия перегруппировки связи приводит к так называемому переходному состоянию — химическому веществу, которое не является ни реагентом, ни продуктом, но является промежуточным звеном между ними.

Реагент ⇌ Переходное состояние ⇌ Продукт

Энергия требуется для формирования переходного состояния. Эта энергия называется энергией активации или E a .Реагенты с энергией ниже E a не могут пройти через переходное состояние и стать продуктами. Чтение приведенной ниже диаграммы слева направо показывает прогресс реакции, когда реагенты проходят через переходное состояние и превращаются в продукты.

Преодолевая барьер

Энергию активации можно рассматривать как барьер для химической реакции, препятствие, которое необходимо преодолеть. Если барьер высокий, немногие молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы столкнуться, сформировать переходное состояние и пересечь барьер.Реагенты с энергией ниже E a не могут пройти через переходное состояние, чтобы вступить в реакцию и стать продуктами.

Катализатор работает, обеспечивая другой путь реакции, с более низким E a . Катализаторы снижают энергетический барьер. Другой путь позволяет упростить перегруппировку связей, необходимую для превращения реагентов в продукты, с меньшими затратами энергии.

В любой заданный интервал времени присутствие катализатора позволяет большей части реагентов набрать достаточно энергии, чтобы пройти через переходное состояние и стать продуктами.

Пример 1: Процесс Габера
Процесс Габера, который используется для получения аммиака из водорода и азота, катализируется железом, которое обеспечивает атомные центры, в которых связи реагентов могут легче перестраиваться.

N 2 (газ) + 3H 2 (газ) ⇌ 2NH 3 (газ)

Пример 2: Ферменты
В нашем организме и в других живых существах ферменты используются для ускорения биохимических реакций. Фермент — это разновидность катализатора.Сложная жизнь была бы невозможна без ферментов, позволяющих реакции протекать с подходящей скоростью. Формы ферментов вместе с местами на ферменте, которые связываются с реагентами, обеспечивают альтернативный путь реакции, позволяя конкретным молекулам объединяться, чтобы сформировать переходное состояние с пониженным энергетическим барьером активации.

Длинноцепочечный фермент обеспечивает места для молекул реагентов, которые собираются вместе, чтобы сформировать переходное состояние с низкой энергией активации.

Катализаторы и равновесие

Катализаторы не могут изменить положение химического равновесия — прямая и обратная реакции ускоряются, так что константа равновесия K eq остается неизменной.Однако за счет удаления продуктов из реакционной смеси по мере их образования общая скорость образования продукта может быть увеличена на практике.

Проверьте свои знания:

Вопрос 1

Поп-тест — это пример очень быстрой химической реакции. Вы можете придумать еще одну очень быструю химическую реакцию?

Покажи ответ

Один из примеров — взрыв фейерверка. Другой — универсальный индикатор, меняющий цвет при добавлении в кислоту или щелочь.

Вопрос 2

С точки зрения скорости химических реакций, почему мы охлаждаем пищу?

Покажи ответ

Бактерии и грибы растут и размножаются с помощью химических реакций.Понижение температуры замедляет эти химические реакции, замедляя рост организмов, портящих пищу.

Вопрос 3

Ржавчина — это медленная химическая реакция. Вы можете придумать еще одну медленную реакцию?

Покажи ответ

Одним из примеров является отверждение клея. Некоторым клеям требуется несколько часов для схватывания, другие же схватываются быстрее.

Другой пример — резиновые шланги и резиновые ленты, которые со временем становятся хрупкими, потому что резина медленно вступает в реакцию с кислородом и теряет свою эластичность.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Полезно иметь возможность предсказать, повлияет ли действие на скорость протекания химической реакции. На скорость химической реакции могут влиять несколько факторов.

Как правило, фактор, увеличивающий количество столкновений между частицами, увеличивает скорость реакции, а фактор, уменьшающий количество столкновений между частицами, снижает скорость химической реакции.

Концентрация реагентов

Более высокая концентрация реагентов приводит к более эффективным столкновениям в единицу времени, что приводит к увеличению скорости реакции (за исключением реакций нулевого порядка). Точно так же более высокая концентрация продуктов имеет тенденцию быть связана с более низкой скоростью реакции.

Используйте парциальное давление реагентов в газообразном состоянии как меру их концентрации.

Температура

Обычно повышение температуры сопровождается увеличением скорости реакции.Температура — это мера кинетической энергии системы, поэтому более высокая температура подразумевает более высокую среднюю кинетическую энергию молекул и большее количество столкновений в единицу времени.

Общее правило для большинства (не всех) химических реакций состоит в том, что скорость, с которой протекает реакция, будет примерно удваиваться на каждые 10 градусов Цельсия повышения температуры. Как только температура достигнет определенной точки, некоторые химические соединения могут измениться (например, денатурировать белки), и химическая реакция замедлится или остановится.

Среда или состояние вещества

Скорость химической реакции зависит от среды, в которой происходит реакция. Может иметь значение, является ли среда водной или органической; полярные или неполярные; или жидкое, твердое или газообразное.

Реакции с участием жидкостей и особенно твердых веществ зависят от доступной площади поверхности. Для твердых веществ форма и размер реагентов имеют большое значение для скорости реакции.

Наличие катализаторов и конкурентов

Катализаторы (например,g., ферменты) снижают энергию активации химической реакции и увеличивают скорость химической реакции, не расходясь в процессе.

Катализаторы работают, увеличивая частоту столкновений между реагентами, изменяя ориентацию реагентов так, чтобы больше столкновений было эффективным, уменьшая внутримолекулярные связи внутри молекул реагентов или передавая электронную плотность реагентам. Присутствие катализатора помогает реакции быстрее прийти к равновесию.

Помимо катализаторов, на реакцию могут влиять другие химические вещества. Количество ионов водорода (pH водных растворов) может изменять скорость реакции. Другие химические вещества могут конкурировать за реагент или изменять ориентацию, связывание, электронную плотность и т. Д., Тем самым снижая скорость реакции.

Давление

Повышение давления реакции увеличивает вероятность взаимодействия реагентов друг с другом, тем самым увеличивая скорость реакции.Как и следовало ожидать, этот фактор важен для реакций с участием газов, а не для жидкостей и твердых тел.

Смешивание

Смешивание реагентов увеличивает их способность взаимодействовать, тем самым увеличивая скорость химической реакции.

Сводка факторов

В таблице ниже приведены основные факторы, влияющие на скорость реакции. Обычно существует максимальный эффект, после которого изменение фактора не будет иметь никакого эффекта или замедлит реакцию.Например, повышение температуры выше определенной точки может денатурировать реагенты или вызвать в них совершенно другую химическую реакцию.

Фактор Влияние на скорость реакции
температура повышение температуры увеличивает скорость реакции
давление увеличение давления увеличивает скорость реакции
концентрация в растворе, увеличение количества реагентов увеличивает скорость реакции
состояние вещества газы реагируют легче, чем жидкости, которые реагируют легче, чем твердые вещества
катализаторы катализатор снижает энергию активации, увеличивая скорость реакции
смешивание смешивание реагентов улучшает скорость реакции

Кинетика реакций — обзор

Кинетика по сравнению с равновесием

Химическая кинетика — это описание скорости химической реакции [21].Это скорость, с которой реагенты превращаются в продукты. Это может происходить за счет абиотических или биологических систем, таких как микробный метаболизм. Поскольку скорость — это изменение количества, которое происходит со временем, изменение, которое нас больше всего беспокоит, — это изменение концентрации наших загрязняющих веществ в новые химические соединения:

(3,27) Скорость реакции = изменение концентрации продукта, соответствующее изменению во времени

И,

(3,28 ) Скорость реакции = изменение концентрации реагента, соответствующее изменению во времени

При деградации окружающей среды изменение концентрации продукта будет уменьшаться пропорционально концентрации реагента, поэтому для вещества А кинетика выглядит следующим образом:

(3.29) Скорость = −Δ (A) Δt

Знак минус означает, что концентрация реагента (исходного загрязнителя) снижается. Поэтому очевидно, что продукт разложения C , образующийся в результате концентрации, будет увеличиваться пропорционально уменьшению концентрации загрязняющего вещества A, а скорость реакции для Y равна уравнению (3.30):

(3.30) Rate = Δ (C) Δt

Обычно концентрация химического вещества указывается в скобках, чтобы указать, что система не находится в равновесии.Δ ( X ) рассчитывается как разница между начальной и конечной концентрациями:

(3,31) Δ (X) = Δ (X) конечная − Δ (X) исходная

Таким образом, химическое превращение [22 ] одного изомера соединения в другой происходит с определенной скоростью в определенных условиях окружающей среды. Скорость реакции в любой момент времени является отрицательной величиной наклона касательной к кривой концентрации в этот конкретный момент времени (см. Рисунок 3.26).

Рисунок 3.26. Кинетика превращения соединения.Скорость реакции в любой момент времени является отрицательной величиной наклона касательной к кривой концентрации в это время. На т 1 ставка выше, чем на т 3 . Эта скорость зависит от концентрации (первый порядок).

Чтобы реакция произошла, молекулы реагентов должны столкнуться. Вероятность столкновения веществ в высоких концентрациях выше, чем в низких. Таким образом, скорость реакции должна зависеть от концентраций реагирующих веществ.Математическое выражение этой функции известно как «закон скорости». Закон скорости может быть определен экспериментально для любого загрязнителя. Независимое изменение концентрации каждого реагента с последующим измерением результата дает кривую концентрации. Каждый реагент имеет уникальный закон скорости (это одно из физико-химических свойств загрязнителя).

При реакции реагентов A и B с образованием продукта C (т.е. A + B → C) скорость реакции увеличивается в соответствии с увеличением концентрации либо A, либо B.Если количество A утроить, то скорость всей этой реакции утроится. Таким образом, закон скорости такой реакции:

(3.32) Скорость = k [A] [B]

Закон скорости другой реакции X + Y → Z, в которой скорость увеличивается только в том случае, если концентрация X увеличивается (изменение концентрации Y не влияет на закон скорости), должно быть:

(3.33) Скорость = k [X]

Уравнения (3.29) и (3.30) показывают, что концентрации в законе скорости представляют собой концентрации реагирующих химических веществ в любой конкретный момент времени во время реакции.Скорость — это скорость реакции в это время. Константа k в уравнениях — это константа скорости , которая уникальна для каждой химической реакции и является фундаментальной физической константой для реакции, определяемой условиями окружающей среды (например, pH, температура, давление, тип растворителя). .

Константа скорости определяется как скорость реакции, когда все реагенты присутствуют в 1 молярной (М) концентрации, поэтому константа скорости k — это скорость реакции в условиях, стандартизированных единицей концентрации.Построив кривую концентрации загрязнителя, состоящую из бесконечного числа точек в каждый момент времени, можно рассчитать мгновенную скорость вдоль кривой концентрации. В каждой точке кривой скорость реакции прямо пропорциональна концентрации соединения в данный момент времени. Это физическая демонстрация кинетического порядка . Общий кинетический порядок — это сумма показателей (степеней) всех концентраций в законе скорости. Таким образом, для скорости k [A] [B] общий кинетический порядок равен двум.Такая скорость описывает реакцию второго порядка, поскольку скорость зависит от концентрации реагента, возведенной во вторую степень. Другие скорости разложения, такие как k [X], являются реакциями первого порядка, поскольку скорость зависит от концентрации реагента, возведенной в первую степень.

Кинетический порядок каждого реагента — это степень увеличения его концентрации по закону скорости. Итак, k [A] [B] — это первый порядок для каждого реагента, а k [X] — это первый порядок X и нулевой порядок для Y.В реакции нулевого порядка соединения разлагаются с постоянной скоростью и не зависят от концентрации реагента.

«Исходное соединение» превращается в «химических дочерей» или «потомство». Например, кинетика пестицидов часто связана с заменой активного ингредиента в пестициде на его «продукты разложения».

Химические реакции и катализаторы — Science Learning Hub

Химическая реакция включает химическое изменение, которое происходит при взаимодействии двух или более частиц (которые могут быть молекулами, атомами или ионами).Например, когда железо и кислород вступают в реакцию, они превращаются в новое вещество, оксид железа (ржавчину). Оксид железа имеет химические свойства, отличные от железа и кислорода. Это отличается от физического изменения. Например, вода может превратиться в лед, но лед остается водой в другом физическом состоянии — лед и вода имеют одинаковые химические свойства.

Когда химические вещества вступают в реакцию, частицы должны сталкиваться друг с другом с достаточной энергией, чтобы произошла реакция. Чем чаще они сталкиваются, тем больше вероятность их реакции.Не все столкновения приводят к реакции — часто для этого не хватает энергии.

Некоторые реакции происходят быстрее других. Скорость зависит от вероятности столкновения частиц. На скорость реакции влияет ряд вещей.

  • Концентрация — Чем больше частиц, тем больше вероятность столкновения.
  • Температура — Частицы перемещаются больше при более высоких температурах, поэтому вероятно больше столкновений, и столкновения будут иметь больше энергии.
  • Давление — Частицы в газах очень сильно разбросаны. Если вы увеличиваете давление, частицы прижимаются друг к другу, поэтому вероятность столкновения увеличивается.
  • Площадь поверхности — Если одно из реагирующих химикатов является твердым, столкнуться могут только частицы на поверхности. Чем больше поверхность, тем быстрее реакция. Более мелкие частицы имеют большую площадь поверхности для своего размера, чем более крупные. Это объясняет, почему порошок обычно реагирует быстрее, чем комки.
  • Катализаторы — Катализатор — это вещество, которое изменяет скорость химической реакции, но остается химически неизменным в конце реакции. Ингибитор делает обратное — замедляет химические реакции.

Катализаторы

Катализаторы играют важную роль во многих химических процессах. Они увеличивают скорость реакции, не расходуются в реакции и необходимы только в очень небольших количествах.

Есть два основных способа работы катализаторов.

Адсорбция

Частицы прилипают к поверхности катализатора (так называемая адсорбция), а затем перемещаются, поэтому они с большей вероятностью столкнутся и вступят в реакцию. Хорошим примером является то, как платиновый катализатор в автомобильном каталитическом нейтрализаторе превращает токсичный монооксид углерода в менее токсичный диоксид углерода.

Промежуточные соединения

В этом процессе катализатор сначала соединяется с химическим веществом, образуя новое соединение. Это новое соединение нестабильно, поэтому оно разрушается, высвобождая другое новое соединение и оставляя катализатор в его первоначальной форме.Так работают многие ферменты (специальные биологические катализаторы). Многие промышленные химические процессы используют такие катализаторы.

Один из примеров катализатора, который включает промежуточное соединение, можно найти высоко в атмосфере Земли. Там, наверху, химический озон (с молекулами, содержащими три атома кислорода) помогает защитить Землю от вредного ультрафиолетового излучения. Но есть еще и хлор, который попадает в атмосферу из химических веществ (хлорфторуглеродов, CFC), используемых в некоторых холодильниках, кондиционерах и аэрозольных баллончиках.

Хлор — это катализатор, который отнимает атом кислорода у озона (O 3 ), оставляя стабильный кислород (O 2 ). В то же время он образует нестабильное промежуточное хлор-кислородное соединение, которое распадается с выделением кислорода. Это оставляет хлор свободным, чтобы повторить процесс. Один атом хлора может уничтожить около миллиона молекул озона каждую секунду. Это может сильно повлиять на способность атмосферы защищать нас от УФ-излучения.

Полезная ссылка

Посмотрите демонстрацию того, как платина действует как катализатор, с объяснением использования платины в каталитических преобразователях в этом видео от BBC.

Химическая реактивность

Принципы и термины, представленные в предыдущих разделах, теперь можно обобщить и проиллюстрировать следующими тремя примерами. Такие реакции называются реакциями ионных или полярных , потому что они часто включают заряженные частицы и связывание электрофилов и нуклеофилов. Ионные реакции обычно происходят в жидких растворах, где молекулы растворителя способствуют образованию заряженных промежуточных продуктов.

Поскольку многие ионные реакции протекают посредством связывающих взаимодействий между электрофилами и нуклеофилами, важно понимать, как эти качества меняются от соединения к соединению и как они могут быть усилены кислотными или основными катализаторами. Для дальнейшего изучения этого вопроса щелкните здесь.

2. Радикальные реакции

Если газообразный метан смешивается с газообразным хлором и подвергается воздействию солнечного света, происходит взрывная реакция, в которой продукты хлорированного метана образуются вместе с хлористым водородом.Несбалансированное уравнение, иллюстрирующее эту реакцию, показано ниже; относительные количества различных продуктов зависят от соотношения двух используемых реагентов.

CH 4 + Cl 2 + энергия CH 3 Cl + CH 2 Cl 2 + CHCl 3 + CCl 4 + HCl

Как протекает эта реакция? Газофазные реакции, такие как хлорирование метана, обычно не протекают через ионные промежуточные соединения.Убедительные доказательства указывают на то, что промежуточные нейтральные радикалы, иногда называемые свободными радикалами , играют роль в этом и многих других подобных превращениях. Радикал — это атомная или молекулярная разновидность, имеющая неспаренный или нечетный электрон. Некоторые радикалы, такие как диоксид азота (NO 2 ) и оксид азота (NO), относительно стабильны, но большинство из них настолько реактивны, что их выделение и длительное исследование в нормальных условиях невозможно.
Набор радикальных реакций, называемых цепной реакцией , может объяснить все факты, наблюдаемые для этого процесса.

Реакция инициируется под действием энергии (тепла или света). Слабая связь хлор-хлор гомолитически разрывается с образованием атомов хлора.

В этих двух реакциях промежуточные радикалы отрывают атом от одной из молекул реагента. Если атом хлора отрывает водород от метана на первом этапе, образующийся метильный радикал отрывает атом хлора от хлора на втором этапе, регенерируя атом хлора.Следовательно, это цепная реакция .

В принципе цепная реакция должна продолжаться до тех пор, пока один или оба реагента не будут израсходованы. Однако на практике такие реакции прекращаются до завершения и должны быть инициированы заново. Это происходит всякий раз, когда два промежуточных радикала встречаются и объединяются, давая стабильную молекулу, таким образом, обрывает цепочку реакций. Поскольку промежуточные радикалы чрезвычайно реакционны и присутствуют в очень низкой концентрации, вероятность столкновения двух таких промежуточных продуктов мала.Следовательно, цепная реакция будет проходить через множество циклов, прежде чем произойдет ее обрыв.

Подробнее о свободных радикалах
Эта обработка свободных радикалов лишь затрагивает поверхность этого важного класса реакций.
Чтобы узнать больше о химии свободных радикалов, щелкните здесь.

Энергия связи

Поскольку реакции органических соединений включают образование и разрыв связей, прочность связей или их устойчивость к разрыву становится важным фактором.Например, обсуждавшееся ранее хлорирование метана было вызвано разрывом относительно слабой ковалентной связи Cl-Cl.
Энергия связи — это энергия, необходимая для гомолитического разрыва ковалентной связи (на нейтральные фрагменты). Энергии связи обычно указываются в единицах ккал / моль или кДж / моль и обычно называются энергией диссоциации связи , , если дано для конкретных связей, или средними энергиями связи, , если суммировать для данного типа связи по многим видам соединений. .Таблицы энергий связи можно найти в большинстве учебников и справочников. В следующей таблице собраны средние значения энергии связи для множества обычных связей. Такие средние значения часто упоминаются как стандартных энергий связи и приведены здесь в единицах ккал / моль .

Единицей энергии в системе СИ является джоуль, символ Дж . Чтобы преобразовать килокалории в килоджоули, умножьте его на 4,184. На полезный сайт для преобразования единиц можно перейти, нажав здесь.

Стандартные энергии связи

Одинарные облигации

ΔHº *

Одинарные облигации

ΔHº *

Множественные облигации

ΔHº *

H – H

104,2

Б – Ф

154

С = С

146

К – С

83

Б – О

123

N = N

109

N – N

38.4

C – N

73

O = O

119

O – O

35

N – CO

86

C = N

147

Ф – Ф

36,6

C – O

85,5

C = O (CO 2 )

192

Si – Si

52

O – CO

110

C = O (альдегид)

177

П – П

51

C – S

65

C = O (кетон)

178

S – S

54

К – Ф

116

C = O (сложный эфир)

179

Cl – Cl

58

C – Cl

81

C = O (амид)

179

Br – Br

46

C – Br

68

C = O (галогенид)

177

I – I

36.

C – I

51

C = S (CS 2 )

138

H – C

99

C – B

94

N = O (HONO 2 )

143

H – N

93

C – Si

83

P = O (POCl 3 )

110

H – O

111

C – P

73

P = S (PSCl 3 )

70

H – F

135

N – O

55

S = O (SO 2 )

128

H – Cl

103

S – O

87

S = O (ДМСО)

93

H – Br

87.5

Si – F

132

P = P

84

H – I

71

Si – Cl

86

P≡P

117

H – B

90

Si – O

110

C≡O

258

H – S

81

P – Cl

79

КК

200

H – Si

70

P – Br

65

NN

226

H – P

77

P – O

96

C≡N

213

* Средняя энтальпия диссоциации связи в ккал-моль -1

Из этой таблицы можно сделать несколько полезных и интересных выводов.Во-первых, одинарная связь между двумя данными атомами слабее двойной связи, которая, в свою очередь, слабее тройной связи. Во-вторых, водород образует относительно прочные связи (от 90 до 110 ккал) с общими элементами, содержащимися в органических соединениях (C, N и O). В-третьих, за исключением углерода и водорода, одинарные связи между атомами одного и того же элемента относительно слабы (от 35 до 64 ккал). Действительно, тот факт, что углерод образует относительно прочные связи с самим собой, а также с азотом, кислородом и водородом, является основным фактором, определяющим очень большое количество стабильных органических соединений.

Энергия реакции

Химические реакции включают разрыв и образование некоторых (или даже всех) связей, которые удерживают вместе атомы реагентов и молекул продуктов. Для разрыва связей требуется энергия, а поскольку силы разных типов связей различаются, часто в ходе реакции происходит значительное изменение общей энергии. Например, при горении метана все шесть связей в молекулах реагентов разрываются, и в молекулах продуктов образуются шесть новых связей (уравнение 1).

Реагенты Продукты

Сумма прочности сцепления продукта в этом случае больше суммы сил сцепления реагентов; следовательно, продукты энергетически (или термодинамически ) более стабильны, чем реагенты, и энергия выделяется в виде тепла. Такие реакции называются экзотермическими . Полезно рассматривать экзотермические реакции как переход от более высокоэнергетического (менее стабильного) состояния реагента к более низкоэнергетическому (более стабильному) состоянию продукта, как показано на диаграмме справа.Реакции, в которых продукты имеют более высокую энергию, чем реагенты, требуют подвода энергии, и называются эндотермическими . Фотосинтез (уравнение 2) — важный пример эндотермического процесса. Энергия в виде фотонов (солнечный свет) запускает реакцию, для которой требуется хлорофилл в качестве катализатора.

Реагенты Продукты

Здравый смысл подсказывает, что молекулы с прочными связями будут более стабильными, чем молекулы с более слабыми связями.Ранее мы определяли прочность связи как энергию, необходимую для разрыва связи на нейтральные фрагменты (радикалы или атомы). Таким образом, сумму всех энергий связи молекулы можно считать ее энергией атомизации , то есть энергией, необходимой для полного разрушения молекулы на составляющие ее атомы. Если эту концепцию применить к группе изомеров, должно быть ясно, что все изомеры будут иметь общее состояние атомизации, и что полная энергия связи каждого изомера обратно пропорциональна потенциальной энергии этого изомера.Таким образом, этот изомер, имеющий наибольшую полную энергию связи, имеет наименьшую потенциальную энергию и термодинамически наиболее стабилен. Подводя итог, можно сказать, что энергия связи — это энергия, которая должна быть введена для разрыва связи, и составляет , а не компонент потенциальной энергии молекулы.

Три изомера C 6 H 12 справа иллюстрируют эту взаимосвязь. Циклогексан состоит из шести сигма-связей C-C и двенадцати сигма-связей C-H, образующих шестичленное кольцо без деформаций.С другой стороны, изомер, имеющий двойную связь, 1-гексен, имеет четыре одинарные связи C-C (все сигма) и одну двойную связь C-C (одну сигма-связь и одну пи-связь). Поскольку пи-связь слабее сигма-связи, циклогексан имеет большую общую энергию связи (почти на 20 ккал / моль) и термодинамически более стабилен, чем 1-гексен. Четырехчленное кольцевое соединение, этилциклобутан, имеет те же виды связей, что и циклогексан, но они ослаблены напряжением кольца до такой степени, что этот изомер даже менее стабилен (термодинамически), чем 1-гексен.

Природа энергии
Термин энергия используется здесь в общем и довольно неточном смысле.
Щелкните здесь, чтобы получить более подробное описание.

1. Энергия активации

Поскольку экзотермические реакции энергетически (термодинамически) предпочтительны, небрежный мыслитель может сделать вывод, что все такие реакции будут происходить спонтанно и приводить к своим продуктам. Если бы это было правдой, на Земле не было бы жизни, потому что многочисленные соединения углерода, которые присутствуют во всех живых организмах и необходимы для них, спонтанно воспламенялись бы в присутствии кислорода с образованием диоксида углерода — более стабильного соединения углерода.Например, горение метана (уравнение 1) не происходит самопроизвольно, а требует инициирующей энергии в виде искры или пламени. Недостаток этого небрежного рассуждения состоит в том, что мы сосредоточились только на начальном (реагент) и конечном (продукт) состояниях реакций. Чтобы понять, почему одни реакции происходят легко (почти спонтанно), тогда как другие протекают медленно, вплоть до того, что их невозможно наблюдать, нам необходимо рассмотреть промежуточные стадии реакций.

Экзотермическая
Одностадийная реакция
Эндотермическая
Одностадийная реакция
Экзотермическая
Двухступенчатая реакция

Каждая реакция, в которой разрываются связи, будет иметь высокоэнергетическое переходное состояние , которое должно быть достигнуто до образования продуктов.Чтобы реагенты достигли этого переходного состояния, необходимо подвести энергию и молекулы реагентов должны ориентироваться соответствующим образом. Энергия, необходимая для подъема реагентов до уровня энергии переходного состояния, называется энергией активации , ΔE .

Пример одностадийного профиля экзотермической реакции показан слева вверху, а аналогичный одностадийный профиль для эндотермической реакции — в центре. Энергия активации в каждом случае отображается красным цветом, а общее изменение энергии (ΔE) — зеленым.
Профиль становится более сложным, когда описывается многоступенчатый путь реакции. Пример двухстадийной реакции, протекающей через высокоэнергетический промежуточный продукт, показан справа выше. Здесь есть два переходных состояния, каждое со своей энергией активации. Общая энергия активации — это разница в энергии между состоянием реагента и переходным состоянием с наивысшей энергией. Теперь мы видим, почему скорость реакции может не коррелировать с изменением ее общей энергии. На экзотермической диаграмме слева необходимо обеспечить значительную энергию активации, чтобы инициировать реакцию.Поскольку реакция является сильно экзотермической, она, вероятно, будет выделять достаточно тепла, чтобы продолжаться, пока остаются реагенты. Эндотермическая реакция в центре имеет аналогичную энергию активации, но она должна подаваться непрерывно, чтобы реакция завершилась.

Каков источник энергии активации, при которой происходит химическая реакция? Часто это тепло, как отмечалось выше в отношении пламени или искры, которые инициируют горение метана. При комнатной температуре, действительно при любой температуре выше абсолютного нуля, молекулы соединения обладают полной энергией, которая представляет собой комбинацию поступательной (кинетической) энергии, внутренней колебательной и вращательной энергий, а также электронной и ядерной энергии.Температура системы — это мера средней кинетической энергии всех атомов и молекул, присутствующих в системе. Как показано на следующей диаграмме, средняя кинетическая энергия увеличивается, а распределение энергий расширяется по мере повышения температуры с T 1 до T 2 . Части этой тепловой или кинетической энергии обеспечивают энергию активации для многих реакций, причем концентрация соответствующим образом активированных молекул реагентов увеличивается с температурой, например оранжевая область для T 1 и желтый плюс оранжевый для T 2 .(Обратите внимание, что площадь под кривой или часть кривой пропорциональна количеству представленных молекул.)

Распределение молекулярной кинетической энергии
при двух разных температурах, T 1 & T 2

2. Скорость и кинетика реакций

Химическая реакционная способность — это центр химии, и изучение скоростей реакций дает важную информацию по этому вопросу.Некоторые реакции протекают так быстро, что кажутся мгновенными, тогда как другие реакции настолько медленны, что их практически невозможно наблюдать. Большинство реакций, описанных в этом тексте, происходят в течение от 0,2 до 12 часов при 25 ºC. Температура важна, так как быстрые реакции могут быть замедлены или остановлены путем охлаждения, а медленные реакции ускоряются при нагревании. Когда реакция происходит между двумя видами реагентов, она протекает быстрее при более высоких концентрациях реагентов. Эти факты приводят к следующему общему анализу скоростей реакции.

Скорость реакции =

Число столкновений
между молекулами реагирующего вещества
за единицу времени

Доля столкновений
с достаточным состоянием перехода энергии
в состояние перехода

Ориентационный
или фактор вероятности

Поскольку реагирующие молекулы должны сталкиваться, чтобы взаимодействовать энергия, необходимая кинетическая энергия должна исходить из необходимой кинетической энергии Для сталкивающихся молекул первые два фактора очевидны.Третий (вероятностный) фактор включает в себя ориентационные требования реакции. Например, присоединение брома к двойной связи на конце шестиуглеродной цепи (1-гексен) могло произойти только в том случае, если сталкивающиеся молекулы собрались вместе таким образом, чтобы молекула брома могла взаимодействовать с пи-электронами двойная связь.
Частота столкновений молекул реагентов будет пропорциональна их концентрации в реакционной системе. Этот аспект скорости реакции может быть включен в уравнение скорости , которое может принимать несколько форм в зависимости от количества реагентов.В следующей таблице представлены три общих примера.

Тип реакции

Уравнение скорости

Порядок реакции

A —— > B

000 Скорость реакции = k • [A]

903 (столкновение не требуется)

A + B —— > C + D

Скорость реакции = k • [A] * [B]

Реакция второго порядка

A + A —— > D

Скорость реакции = k • [A] 2

Реакция второго порядка

Эти уравнения скорости принимают вид Скорость реакции = k [X] n [Y] m , где константа пропорциональности k отражает уникальные характеристики конкретной реакции и называется константой скорости .Концентрации реагентов X и Y равны [X] и [Y] соответственно, а n и m — экспоненциальные числа, используемые для подгонки уравнения скорости к экспериментальным данным. Сумма n + m называется кинетическим порядком реакции. Первый пример — это простой процесс первого заказа. Следующие два примера относятся к реакциям второго порядка, поскольку n + m = 2. Кинетический порядок реакции обычно используется для определения ее молекулярности.

При написании уравнения скорости мы отключили член частоты столкновений от определенных выше факторов энергии активации и вероятности, которые обязательно включены в константу скорости k.Это демонстрирует следующее уравнение.

Комплексный параметр A включает коэффициент вероятности. Из-за экспоненциальной зависимости k и энергии активации небольшие изменения ΔE вызовут относительно большие изменения скорости реакции. Очевидно, что повышение температуры приводит к увеличению k, но более важным является увеличение средней молекулярной кинетической энергии, вызываемое таким увеличением. Это было проиллюстрировано на предыдущей диаграмме, увеличение температуры от T 1 до T 2 с образованием большей доли молекул реагентов, имеющих энергию, равную или превышающую энергию активации (обозначенную красной линией.

3. Термодинамическая и химическая стабильность

Теперь можно провести важное различие между термодинамической стабильностью и химической стабильностью. Термодинамическая стабильность относится к потенциальной энергии соединения и связана с энергиями связи составляющих его атомов. Химическая стабильность относится к устойчивости соединения к химической реакции с различными реагентами и связана с энергетическим барьером активации, который он представляет для возможных химических изменений.Сравнение циклогексена и бензола является хорошим примером этого различия. Оба эти соединения добавляют водород в экзотермических реакциях присоединения, которые дают циклогексан в качестве обычного продукта. По теплоте гидрирования мы обнаружили, что циклогексен имеет потенциальную энергию (P.E.) примерно на 28,6 ккал / моль выше, чем циклогексан, тогда как бензол на 48,9 ккал / моль выше циклогексана. Это соотношение изображено справа.
На основании этих измерений мы заключаем, что и циклогексен, и бензол термодинамически менее стабильны, чем циклогексан, и что бензол термодинамически менее устойчив, чем циклогексен.Однако мы знаем, что химическая реакционная способность этих ненасыщенных соединений не отражает этот порядок стабильности. Циклогексен быстро реагирует с бромом, а также с перманганатом калия и серной кислотой, тогда как бензол относительно инертен ко всем трем реагентам (в отсутствие катализаторов и / или тепла). Следовательно, химическая активность бензола меньше, чем реакционная способность циклогексена, и мы можем сказать, что бензол химически более устойчив, чем циклогексен — по крайней мере, по отношению к указанным здесь реагентам.

Так же, как цепь не прочнее своего самого слабого звена, так и молекула может стать химически нестабильной из-за одной слабой связи. Мы видим это в химическом поведении пероксидов (R – O – O – R). Связь O – O менее чем наполовину прочнее связи C – C, а пероксиды, как известно, нестабильны, разлагаясь через алкоксирадикалы (R – O · ) при умеренном нагревании. Полезная организация органических реакций функциональными группами является еще одним примером того, как несколько чувствительных связей в молекуле могут определять ее общую химическую реакционную способность.


Эта страница является собственностью Уильяма Ройша.
Комментарии, вопросы и ошибки следует
направлять по адресу [email protected]
Эти страницы предоставлены IOCD для оказания помощи в наращивании потенциала в области химического образования. 05.05.2013

факторов, влияющих на скорость реакции

14.1 Факторы, влияющие на скорость реакции

Цель обучения

  1. Чтобы понять факторы, влияющие на скорость реакции.

Хотя сбалансированное химическое уравнение реакции описывает количественные отношения между количествами присутствующих реагентов и количествами продуктов, которые могут быть образованы, оно не дает нам информации о том, будет ли протекать данная реакция и как быстро она будет происходить. Эта информация получается путем изучения химической кинетики реакции, которая зависит от различных факторов: концентрации реагентов, температуры, физического состояния и площади поверхности реагентов, а также свойств растворителя и катализатора, если таковые присутствуют.Изучая кинетику реакции, химики понимают, как контролировать условия реакции для достижения желаемого результата.

Эффекты концентрации

Два вещества не могут вступить в реакцию друг с другом, если составляющие их частицы (молекулы, атомы или ионы) не вступят в контакт. Если контакта нет, скорость реакции будет равна нулю. И наоборот, чем больше частиц реагента сталкивается в единицу времени, тем чаще между ними может происходить реакция.Следовательно, скорость реакции обычно увеличивается с увеличением концентрации реагентов. Одним из примеров этого эффекта является реакция сахарозы (столового сахара) с серной кислотой, которая показана на рисунке 14.1 «Влияние концентрации на скорость реакции».

Рисунок 14.1 Влияние концентрации на скорость реакции

Смешивание сахарозы с разбавленной серной кислотой в стакане (а, справа) дает простой раствор. Смешивание того же количества сахарозы с серной кислотой концентрированной (a, слева) приводит к драматической реакции (b), которая в конечном итоге приводит к образованию столбика черного пористого графита (c) и интенсивного запаха горящего сахара.

Температурные эффекты

В главе 10 «Газы» вы узнали, что повышение температуры системы увеличивает среднюю кинетическую энергию составляющих ее частиц. По мере увеличения средней кинетической энергии частицы движутся быстрее, поэтому они чаще сталкиваются в единицу времени и обладают большей энергией при столкновении. Оба эти фактора увеличивают скорость реакции. Следовательно, скорость реакции практически всех реакций увеличивается с повышением температуры.И наоборот, скорость практически всех реакций уменьшается с понижением температуры. Например, охлаждение замедляет рост бактерий в пищевых продуктах за счет снижения скорости биохимических реакций, которые позволяют бактериям воспроизводиться. На рисунке 14.2 «Влияние температуры на скорость реакции» показано, как температура влияет на свет, излучаемый двумя хемилюминесцентными световыми стержнями.

Рисунок 14.2 Влияние температуры на скорость реакции

При высокой температуре реакция, которая дает свет в хемилюминесцентной световой палочке, происходит быстрее, производя больше фотонов света в единицу времени.Следовательно, в горячей воде свет светится ярче (слева), чем в ледяной воде (справа).

В системах, где возможно более одной реакции, одни и те же реагенты могут давать разные продукты в разных условиях реакции. Например, в присутствии разбавленной серной кислоты и при температуре около 100 ° C этанол превращается в диэтиловый эфир:

Уравнение 14.1

2Ch4Ch3OH → h3SO4Ch4Ch3OCh3Ch4 + h3O

Однако при 180 ° C происходит совершенно другая реакция, в результате которой образуется этилен в качестве основного продукта:

Уравнение 14.2

Ch4Ch3OH → h3SO4C2h5 + h3O

Влияние фазы и площади поверхности

Когда два реагента находятся в одной и той же жидкой фазе, их частицы сталкиваются чаще, чем когда один или оба реагента являются твердыми веществами (или когда они находятся в разных жидкостях, которые не смешиваются). Если реагенты равномерно диспергированы в одном гомогенном растворе, то, как мы только что видели, количество столкновений в единицу времени зависит от концентрации и температуры.Однако, если реакция гетерогенная, реагенты находятся в двух разных фазах, и столкновения между реагентами могут происходить только на границах раздела фаз. Количество столкновений между реагентами в единицу времени существенно снижается по сравнению с гомогенным случаем, а, следовательно, и скорость реакции. Скорость гетерогенной реакции зависит от площади поверхности более конденсированной фазы.

Автомобильные двигатели используют эффекты площади поверхности для увеличения скорости реакции.Бензин впрыскивается в каждый цилиндр, где он воспламеняется при воспламенении от искры свечи зажигания. Бензин впрыскивается в виде микроскопических капель, потому что в этой форме он имеет гораздо большую площадь поверхности и может гореть намного быстрее, чем если бы его подавали в цилиндр в виде потока. Точно так же куча мелко измельченной муки горит медленно (или не горит совсем), но распыление мелко измельченной муки в пламя вызывает бурную реакцию (рис. 14.3 «Влияние площади поверхности на скорость реакции»).Подобные явления частично ответственны за взрывы пыли, которые иногда разрушают элеваторы или угольные шахты.

Рисунок 14.3 Влияние площади поверхности на скорость реакции

Куча муки обжигается только пламенем (справа), но когда ту же муку распыляют в пламя, она быстро горит (слева).

Эффекты растворителя

Природа растворителя также может влиять на скорость реакции растворенных частиц.Например, раствор ацетата натрия реагирует с метилиодидом в реакции обмена с образованием метилацетата и иодида натрия.

Уравнение 14.3

CH 3 CO 2 Na (раствор) + CH 3 I (л) → CH 3 CO 2 CH 3 (раствор) + NaI (раствор)

Эта реакция протекает в 10 миллионов раз быстрее в органическом растворителе диметилформамиде [DMF; (CH 3 ) 2 NCHO], чем в метаноле (CH 3 OH).Хотя оба являются органическими растворителями с аналогичной диэлектрической проницаемостью (36,7 для ДМФА против 32,6 для метанола), метанол способен образовывать водородные связи с ионами ацетата, тогда как ДМФА — нет. Водородная связь снижает реакционную способность атомов кислорода в ацетат-ионе.

Вязкость растворителя также важна для определения скорости реакции. В высоковязких растворителях растворенные частицы диффундируют намного медленнее, чем в менее вязких растворителях, и могут сталкиваться реже в единицу времени.Таким образом, скорость большинства реакций быстро снижается с увеличением вязкости растворителя.

Эффекты катализатора

В главе 3 «Химические реакции» вы узнали, что катализатор — это вещество, которое участвует в химической реакции и увеличивает скорость реакции, не претерпевая самого чистого химического изменения. Рассмотрим, например, разложение перекиси водорода в присутствии и в отсутствие различных катализаторов (Рисунок 14.4 «Влияние катализаторов на скорость реакции»).Поскольку большинство катализаторов обладают высокой селективностью, они часто определяют продукт реакции, ускоряя только одну из нескольких возможных реакций, которые могут произойти.

Рисунок 14.4 Влияние катализаторов на скорость реакции

Раствор перекиси водорода (H 2 O 2 ) разлагается в воде так медленно, что изменение не заметно (слева). Иодид-ион действует как катализатор разложения H 2 O 2 с образованием газообразного кислорода.Раствор становится коричневым из-за реакции H 2 O 2 с I , в результате чего образуются небольшие количества I 3 (в центре). Фермент каталаза примерно в 3 миллиардов раз более эффективен, чем йодид в качестве катализатора. Даже в присутствии очень небольшого количества фермента разложение идет интенсивно (справа).

Большинство химических веществ, производимых в промышленности, образуются в результате каталитических реакций. Последние оценки показывают, что около 30% валового национального продукта США и других промышленно развитых стран прямо или косвенно зависит от использования катализаторов.

Сводка

Факторы, которые влияют на скорость химических реакций, включают концентрацию реагентов, температуру, физическое состояние реагентов и их дисперсию, растворитель и присутствие катализатора.

Ключевые вынос

  • Скорость реакции зависит от концентраций реагентов, температуры реакции, фазы и площади поверхности реагентов, растворителя и наличия или отсутствия катализатора.

Концептуальные проблемы

  1. Какую информацию вы можете получить, изучая химическую кинетику реакции? Предоставляет ли сбалансированное химическое уравнение ту же информацию? Почему или почему нет?

  2. Если бы вам было поручено определить, следует ли проводить конкретную реакцию на промышленном предприятии, почему изучение химической кинетики реакции было бы для вас важным?

  3. Какова взаимосвязь между каждым из следующих факторов и скоростью реакции: концентрацией реагента, температурой реакции, физическими свойствами реагентов, физическими и химическими свойствами растворителя и присутствием катализатора?

  4. Суспензия — это смесь мелкодисперсного твердого вещества с жидкостью, в которой она плохо растворима.Когда вы готовите реакцию, вы замечаете, что один из ваших реагентов образует с растворителем суспензию, а не раствор. Как это повлияет на скорость реакции? Какие шаги вы можете предпринять, чтобы попытаться решить проблему?

  5. Почему скорость практически всех реакций увеличивается с повышением температуры? Если бы вы приготовили стакан сладкого чая со льдом по старинке, добавив сахар и кубики льда в стакан горячего чая, что бы вы добавили в первую очередь?

  6. В типичных лабораторных условиях реакцию проводят в вытяжном шкафу с вентиляцией, в котором циркуляция воздуха обеспечивается наружным воздухом.Студент заметил, что реакция, которая дала высокий выход продукта зимой, давала низкий выход того же продукта летом, даже несмотря на то, что его методика не изменилась, а используемые реагенты и концентрации были идентичными. Каково правдоподобное объяснение разной урожайности?

  7. Очень активная область химических исследований включает разработку солюбилизированных катализаторов, которые не становятся неактивными в процессе реакции.Ожидается, что такие катализаторы значительно увеличивают скорость реакции по сравнению с тем же ходом реакции в присутствии гетерогенного катализатора. В чем причина ожидания увеличения относительной скорости?

  8. Вода имеет диэлектрическую проницаемость более чем в два раза выше, чем у метанола (80,1 для H 2 O и 33,0 для CH 3 OH). Какой растворитель вы бы выбрали для реакции замещения между ионным соединением и полярным реагентом, оба из которых растворимы в метаноле или воде? Почему?

ответов

  1. Kinetics дает информацию о скорости реакции и механизме реакции; сбалансированное химическое уравнение дает только стехиометрию реакции.

  2. Скорость реакции обычно увеличивается с увеличением концентрации реагента, повышением температуры и добавлением катализатора. Физические свойства, такие как высокая растворимость, также увеличивают скорость реакции. Полярность растворителя может увеличивать или уменьшать скорость реакции, но увеличение вязкости растворителя обычно снижает скорость реакции.

  3. Повышение температуры увеличивает среднюю кинетическую энергию молекул и ионов, заставляя их сталкиваться чаще и с большей энергией, что увеличивает скорость реакции. Сначала растворите сахар в горячем чае, а затем добавьте лед.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.