Скорость химических реакций

Раздел химии, в котором изучаются скорости и механизмы химических реакций, называется химической кинетикой.

Рассмотрим некоторые понятия, которые используются в химической кинетике.

Система в химии — рассматриваемое вещество или совокупность веществ.

Фаза — часть системы, которая отделена от других частей поверхностью раздела.

Системы, которые состоят из одной фазы, называются гомогенными, или однородными. Примерами гомогенных систем являются газовые смеси, растворы.

Системы, которые состоят из двух или нескольких фаз, называются гетерогенными, или неоднородными. Гетерогенными системами являются смеси твердых веществ, газ + твердое вещество, жидкость + твердое вещество.

Химические реакции, которые протекают в гомогенных системах, называются гомогенными реакциями. Гетерогенные реакции — это химические реакции в гетерогенных системах. Гомогенные реакции протекают во всем объеме реакционной смеси. Гетерогенные реакции происходят на поверхности раздела фаз.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества n, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объема системы V:

где n1 — число молей реагирующего вещества в момент времени t1;n2 — число молей этого же вещества в момент времени t2.

Отношение числа молей вещества к объему реакционной смеси n/ V называется мольно-объемной концентрацией, обозначается буквой С и выражается обычно в моль/л. Таким образом:

Следовательно, скорость гомогенной реакции равна изменению концентрации какого-либо из реагирующих веществ в единицу времени и выражается в моль/л • с. Знак «+» в выражении 4.3.2 ставится в том случае, если С— концентрация какого-либо продукта реакции, а знак «—», если С — концентрация какого-либо исходного вещества (так как скорость реакции должна быть величиной положительной).

Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, которое вступает в реакцию или образуется в результате реакции за единицу времени на единице поверхности раздела фаз S:

Скорость химических реакций

Скорость любой химической реакции зависит от следующих факторов:

1)Природа реагирующих веществ.

2)Концентрация реагирующих веществ.

3)Температура.

4)Присутствие катализаторов.

Скорость гетерогенных реакций зависит также от:

а) величины поверхности раздела фаз (с увеличением поверхности раздела фаз скорость гетерогенных реакций увеличивается);

б) скорости подвода реагирующих веществ к поверхности раздела фаз и скорости отвода от нее продуктов реакции.

Влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции выражается в том, что при одних и тех же условиях различные вещества взаимодействуют друг с другом с разной скоростью. Например, при обычных условиях реакция между соляной кислотой HCl и раствором гидроксида натрия NaОН протекает практически мгновенно, а реакция между водородом Н2 и бромом Br2) — медленно.

При увеличении концентрации реагирующих веществ скорость реакций увеличивается. Это объясняется тем, что при увеличении количества вещества в единице объема увеличивается число столкновений между частицами реагирующих веществ.

Количественно зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действующих масс:

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для простейших одностадийных реакций концентрации веществ берутся в степенях, которые равны коэффициентам перед формулами веществ в уравнении реакции.

Например, для реакции аА + bВ = сC + dD (где а, b, с, d— коэффициенты перед формулами веществ А, В, С, D) скорость реакции в соответствии с законом действующих масс равна:

v = k ∙ [A]a ∙ [B]b  (4.3.4)

где [А] и [В] — концентрации исходных веществ; k — константа скорости реакции, которая равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ [А] = [В] = 1 моль/л. Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры, но не зависит от концентрации веществ.

Выражения типа 4.3.4 называются кинетическими уравнениями реакций. В кинетические уравнения входят концентрации газообразных и растворенных веществ, но не входят концентрации твердых веществ:

2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г);  v = k ∙ [SO2]2 ∙[O2];

CuO(тв) + H2(г) = Cu(тв) + H2O(г);  v = k ∙ [H2].

По кинетическим уравнениям можно рассчитывать, как изменяется скорость реакции при изменении концентрации реагирующих веществ.

При увеличении температуры скорость большинства химических реакций повышается. Зависимость скорости реакции от температуры описывается правилом Вант-Гоффа:

При повышении температуры на 10оС скорость большинства химических реакций увеличивается в 2—4 раза.

Это правило математически выражается следующей формулой:

где γ — температурный коэффициент, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10о; v1 – скорость реакции при температуре t01;v2 – скорость реакции при температуре t02.

По правилу Вант-Гоффа можно рассчитывать, как изменяется скорость реакций при изменении температуры.

Рассмотренный пример показывает, что даже небольшое повышение температуры вызывает резкое увеличение скорости реакции. Причины этого объясняет теория активных молекул (теория активации). Согласно этой теории, в реакции могут участвовать только те молекулы, энергия которых больше средней энергии молекул на какую-то определенную величину. Эта избыточная энергия называется энергией активации. Она необходима для разрыва или ослабления химических связей в молекулах исходных веществ. Молекулы, избыточная энергия которых больше энергии активации, называются активными молекулами. Чем больше число активных молекул, тем больше скорость реакции. При повышении температуры число активных молекул резко увеличивается.

Одним из важнейших факторов, которые влияют на скорость реакции, является присутствие катализатора.

Катализатором называется вещество, которое изменяет скорость реакции, но не расходуется в результате реакции.

Явление изменения скорости реакции в присутствии катализаторов называется катализом. Реакции, которые протекают с участием катализаторов, называются каталитическими реакциями.

Катализ бывает гомогенным и гетерогенным. Если реагенты и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии (обычно газообразном\ или являются компонентами одного раствора, то такой катализ называется гомогенным. В случае гетерогенного катализа реагенты и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях: катализатор обычно является твердым веществом, а реагенты — жидкими или газообразными веществами. Например:

Механизм действия катализаторов является очень сложным. Существует гипотеза об образовании промежуточных соединений при взаимодействии катализатора и реагента.

Если реакция А + В = АВ без катализатора протекает медленно, то при добавлении катализатора K он взаимодействует с одним из исходных веществ (например, А) и образует непрочное промежуточное соединение АK:

A + K = AK

Это соединение с большой скоростью реагирует с другим исходным веществом; при этом образуется конечный продукт реакции АВ, а катализатор выделяется в свободном состоянии:

AK + B = AB + K

Обычно катализаторами называют вещества, которые увеличивают скорость реакции. Однако существуют также вещества, в присутствии которых реакции замедляются. Такие вещества называются ингибиторами.

Катализ играет огромную роль не только в химии, но и в биологии. Практически все биохимические процессы протекают с участием биологических катализаторов. Эти катализаторы называются ферментами (энзимами). По своей химической природе ферменты являются белками.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *