Вивченням швидкості хімічної реакції та умовами, що впливають на її зміну, займається один із напрямків фізичної хімії - хімічна кінетика. Вона також розглядає механізми перебігу цих реакцій та їхню термодинамічну обґрунтованість. Ці дослідження важливі у наукових цілях, а й контролю взаємодії компонентів у реакторах під час виробництва всіляких речовин.

Поняття швидкості у хімії

Швидкістю реакції прийнято називати певну зміну концентрацій, що вступили в реакцію сполук (ΔС) в одиницю часу (Δt). Математична формула швидкості хімічної реакції виглядає так:

ᴠ = ±C/Δt.

Вимірюють швидкість реакції в моль/л∙с, якщо вона відбувається у всьому обсязі (тобто реакція гомогенна) та в моль/м 2 ∙с, якщо взаємодія йде на поверхні, що розділяє фази (тобто реакція гетерогенна). Знак «-» у формулі має відношення до зміни значень концентрацій вихідних реагуючих речовин, а знак «+» - до значень концентрацій продуктів, що змінюються, тієї ж самої реакції.

Приклади реакцій із різною швидкістю

Взаємодія хімічних речовин може здійснюватися з різною швидкістю. Так, швидкість наростання сталактитів, тобто утворення карбонату кальцію, становить лише 0,5 мм за 100 років. Повільно йдуть деякі біохімічні реакції, наприклад, фотосинтез та синтез білка. Із досить низькою швидкістю протікає корозія металів.

Середньою швидкістю можна охарактеризувати реакції, що вимагають від одного до кількох годин. Прикладом може бути приготування їжі, що супроводжується розкладанням і перетворенням сполук, які у продуктах. Синтез окремих полімерів потребує нагрівання реакційної суміші протягом певного часу.

Прикладом хімічних реакцій, швидкість яких досить висока, можуть бути реакції нейтралізації, взаємодія гідрокарбонату натрію з розчином оцтової кислоти, що супроводжується виділенням вуглекислого газу. Також можна згадати взаємодію нітрату барію із сульфатом натрію, при якому спостерігається виділення осаду нерозчинного сульфату барію.

Велика кількість реакцій здатна протікати блискавично та супроводжуються вибухом. Класичний приклад – взаємодія калію з водою.

Чинники, що впливають на швидкість хімічної реакції

Варто зазначити, що ті самі речовини можуть реагувати один з одним з різною швидкістю. Так, наприклад, суміш газоподібних кисню і водню може досить тривалий час не виявляти ознак взаємодії, проте при струшуванні ємності або ударі реакція набуває вибухового характеру. Тому хімічною кінетикою та виділено певні фактори, які мають здатність впливати на швидкість хімічної реакції. До них відносять:

• природу взаємодіючих речовин;
• концентрацію реагентів;
• зміна температури;
• наявність каталізатора;
• зміна тиску (для газоподібних речовин);
• площа зіткнення речовин (якщо говорять про гетерогенні реакції).

Вплив природи речовини

Така суттєва відмінність у швидкостях хімічних реакцій пояснюється різними значеннями енергії активації (Е а). Під нею розуміють деяку надмірну кількість енергії порівняно із середнім її значенням, необхідним молекулі при зіткненні, щоб реакція відбулася. Вимірюється в кДж/моль і значення зазвичай бувають у межах 50-250.

Вважають, що й Е а =150 кДж/моль для будь-якої реакції, то за н. у. вона мало протікає. Ця енергія витрачається подолання відштовхування між молекулами речовин і ослаблення зв'язків у вихідних речовинах. Іншими словами, енергія активації характеризує міцність хімічних зв'язків у речовинах. За значенням енергії активації можна попередньо оцінити швидкість хімічної реакції:

• Е а< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
• 40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
• Е а >120, тільки дуже мала частина зіткнень частинок призведе до реакції, і швидкість її буде низькою.

Вплив концентрації

Залежність швидкості реакції від концентрації найвірогідніше характеризується законом діючих мас (ЗДМ), який гласить:

Швидкість хімічної реакції має прямо пропорційну залежність від добутку концентрацій, що вступили в реакцію речовин, значення яких взяті у ступенях, що відповідають їм коефіцієнти стехіометрії.

Цей закон підходить для елементарних одностадійних реакцій, або ж будь-якої стадії взаємодії речовин, що характеризується складним механізмом.

Якщо потрібно визначити швидкість хімічної реакції, рівняння якої можна умовно записати як:

αА+ bB = ?С, то,

відповідно до вище зазначеного формулювання закону, швидкість можна знайти за рівнянням:

V = k · [A] a · [B] b , де

a та b - стехіометричні коефіцієнти,

[A] і [B] - концентрації вихідних сполук,

k - константа швидкості аналізованої реакції.

Сенс коефіцієнта швидкості хімічної реакції полягає в тому, що її значення дорівнюватиме швидкості, якщо концентрації сполук дорівнюватимуть одиницям. Слід зазначити, що з правильного розрахунку за цією формулою варто враховувати агрегатний стан реагентів. Концентрацію твердої речовини приймають рівною одиниці і не включають до рівняння, оскільки в ході реакції залишається постійною. Таким чином, до розрахунку ЗДМ включають концентрації тільки рідких і газоподібних речовин. Так, для реакції отримання діоксиду кремнію з простих речовин, що описується рівнянням

Si(тв) + Ο 2(г) = SiΟ 2(тв) ,

швидкість визначатиметься за формулою:

Типове завдання

Як змінилася б швидкість хімічної реакції монооксиду азоту з киснем, якби концентрації вихідних сполук збільшили вдвічі?

Рішення: Цьому процесу відповідає рівняння реакції:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 .

Запишемо вирази для початкової (1) і кінцевої (2) швидкостей реакції:

ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ] і

ᴠ 2 = k·(2·[ΝΟ]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ].

ᴠ 1 /ᴠ 2 = (k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ]) / (k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ]).

ᴠ 2 / 1 = 4 · 2/1 = 8.

Відповідь: збільшилася у 8 разів.

Вплив температури

Залежність швидкості хімічної реакції від температури було визначено дослідним шляхом голландським ученим Я. Х. Вант-Гофф. Він встановив, що швидкість багатьох реакцій зростає у 2-4 рази із підвищенням температури на кожні 10 градусів. Для цього правила є математичний вираз, який має вигляд:

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10 , де

1 і 2 - відповідні швидкості при температурах 1 і 2;

γ - температурний коефіцієнт, що дорівнює 2-4.

Водночас це правило не пояснює механізму впливу температури на значення швидкості тієї чи іншої реакції та не описує всієї сукупності закономірностей. Логічно дійти невтішного висновку у тому, що з підвищенням температури, хаотичний рух частинок посилюється і це провокує більше їх зіткнень. Однак це не особливо впливає на ефективність зіткнення молекул, оскільки вона залежить головним чином від енергії активації. Також чималу роль ефективності зіткнення частинок має їх просторове відповідність одна одній.

Залежність швидкості хімічної реакції від температури, що враховує природу реагентів, підпорядковується рівнянню Арреніуса:

k = А 0 · е-Еа/RΤ, де

А про - множник;

Е а – енергія активації.

Приклад завдання на закон Вант-Гоффа

Як слід змінити температуру, щоб швидкість хімічної реакції, у якої температурний коефіцієнт чисельно дорівнює 3, виросту у 27 разів?

Рішення. Скористаємося формулою

ᴠ 2 = ᴠ 1 · γ (Τ2-Τ1) / 10 .

З умови 2 / 1 = 27, а γ = 3. Знайти потрібно ΔΤ = Τ 2 -Τ 1 .

Перетворивши вихідну формулу отримуємо:

V 2 /V 1 =γ ΔΤ/10 .

Підставляємо значення: 27=3 ΔΤ/10.

Звідси зрозуміло, що ΔΤ/10 = 3 та ΔΤ = 30.

Відповідь: температуру слід збільшити на 30 градусів.

Вплив каталізаторів

У фізичній хімії швидкість хімічних реакцій активно вивчає також розділ, який називається каталізом. Його цікавить, як і чому порівняно малі кількості тих чи інших речовин суттєво збільшують швидкість взаємодії інших. Такі речовини, які можуть прискорювати реакцію, але самі при цьому не витрачаються, називаються каталізаторами.

Доведено, що каталізатори змінюють механізм самої хімічної взаємодії, сприяють появі нових перехідних станів, для яких характерні менші висоти енергетичного бар'єру. Тобто вони сприяють зниженню енергії активації, а отже, і збільшенню кількості ефективних наголосів частинок. Каталізатор не може викликати реакцію, яка енергетично неможлива.

Так пероксид водню здатний розкладатися з утворенням кисню та води:

Н 2 Ο 2 = Н 2 Ο + Ο 2 .

Але ця реакція дуже повільна і в наших аптечках вона існує у незмінному вигляді досить довгий час. Відкриваючи лише дуже старі флакони з перекисом, можна помітити невелику бавовну, спричинену тиском кисню на стінки судини. Додавання всього кількох крупинок оксиду магнію спровокує активне виділення газу.

Та ж реакція розкладання перекису, але вже під дією каталази відбувається при обробці ран. У живих організмах є багато різних речовин, які збільшують швидкість біохімічних реакцій. Їх прийнято називати ферментами.

Протилежний ефект протікання реакцій надають інгібітори. Однак, це не завжди погано. Інгібітори використовують для захисту металевої продукції від корозії, для продовження терміну зберігання їжі, наприклад, для запобігання окисленню жирів.

Площа зіткнення речовин

У тому випадку, якщо взаємодія йде між сполуками, що мають різні агрегатні стани, або між речовинами, які не здатні утворювати гомогенне середовище (не змішуються рідини), то ще й цей фактор впливає на швидкість хімічної реакції суттєво. Пов'язано це з тим, що гетерогенні реакції здійснюються безпосередньо на межі поділу фаз взаємодіючих речовин. Очевидно, що чим ширший цей кордон, тим більше часток мають можливість зіткнутися, і тим швидше йде реакція.

Наприклад, набагато швидше йде у вигляді дрібних тріски, ніж у вигляді колоди. З тією ж метою багато твердих речовин розтирають у дрібний порошок, перш ніж додавати в розчин. Так, порошкоподібна крейда (карбонат кальцію) швидше діє із соляною кислотою, ніж шматочок тієї ж маси. Однак, крім збільшення площі, даний прийом призводить також до хаотичного розриву кристалічних ґрат речовини, а значить, підвищує реакційну здатність частинок.

Математично швидкість гетерогенної хімічної реакції знаходять, як зміна кількості речовини (Δν), що відбувається в одиницю часу (Δt) на одиниці поверхні

(S): V = Δν/(S·Δt).

Вплив тиску

Зміна тиску у системі впливає лише тому випадку, як у реакції беруть участь гази. Підвищення тиску супроводжується збільшенням молекул речовини в одиниці об'єму, тобто його концентрація пропорційно зростає. І навпаки, зниження тиску призводить до еквівалентного зменшення концентрації реагенту. У цьому випадку для обчислення швидкості хімічної реакції підходить формула, відповідна ЗДМ.

Завдання. Як зросте швидкість реакції, що описується рівнянням

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 ,

якщо обсяг замкнутої системи зменшити утричі (Т=const)?

Рішення. При зменшенні обсягу збільшується пропорційно тиск. Запишемо вирази для початкової (V 1) і кінцевої (V 2) швидкостей реакції:

V 1 = k · 2 · [Ο 2] і

V 2 = k · (3 ·) 2 · 3 · [Ο 2] = k · 9 [ΝΟ] 2 · 3 [Ο 2].

Щоб знайти у скільки разів нова швидкість більша за початкову, слід розділити ліві та праві частини виразів:

V 1 / V 2 = (k · 9 [ΝΟ] 2 · 3 [Ο 2]) / (k · [ΝΟ] 2 · [Ο 2]).

Значення концентрацій та константи швидкості скорочуються, і залишається:

V 2 / V 1 = 9 · 3/1 = 27.

Відповідь: швидкість зросла у 27 разів.

Підсумовуючи, слід зазначити, що у швидкість взаємодії речовин, а точніше, кількість і якість зіткнень їх частинок, впливає безліч чинників. Насамперед - це енергія активації та геометрія молекул, які практично неможливо скоригувати. Що ж до інших умов, то збільшення швидкості реакції слід:

• збільшити температуру реакційного середовища;
• підвищити концентрацію вихідних сполук;
• збільшити тиск у системі чи зменшити її обсяг, якщо йдеться про гази;
• привести різнорідні речовини до одного агрегатного стану (наприклад, розчинивши у воді) або збільшити площу їхнього дотику.

Швидкість хімічної реакції – це зміна концентрації речовин, що реагують, в одиницю часу.

При гомогенних реакціях простором реакції позначається об'єм реакційної судини, а при гетерогенних поверхня, на якій протікає реакція. Концентрацію реагуючих речовин зазвичай виражають у моль/л - кількості молей речовини в 1 літрі розчину.

Швидкість хімічної реакції залежить від природи речовин, що реагують, концентрації, температури, тиску, поверхні дотику речовин і її характеру, присутності каталізаторів.

Збільшення концентрації речовин, що вступають у хімічну взаємодію, призводить до збільшення швидкості хімічної реакції. Це відбувається тому, що всі хімічні реакції проходять між деякою кількістю частинок, що реагують (атомами, молекулами, іонами). Чим більше цих частинок обсягом реакційного простору, тим частіше вони стикаються і відбувається хімічна взаємодія. Хімічна реакція може протікати через чи кілька елементарних актів (співдарень). З рівняння реакції можна записати вираз залежності швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин. Якщо в елементарному акті бере участь лише одна молекула (при реакції розкладання), залежність матиме такий вигляд:

v= k * [A]

Це рівняння мономолекулярної реакції. Коли елементарному акті відбувається взаємодія двох різних молекул, залежність має вигляд:

v= k*[A]*[B]

Реакція називається бімолекулярною. У разі зіткнення трьох молекул справедливий вираз:

v= k*[A]*[B]*[C]

Реакція називається тримолекулярною. Позначення коефіцієнтів:

v — швидкість реакції;

[А], [В], [С] - концентрації реагуючих речовин;

k - коефіцієнт пропорційності; називається константою швидкості реакції.

Якщо концентрації реагуючих речовин дорівнюють одиниці (1 моль/л) або їх добуток дорівнює одиниці, то v = k.. Константа швидкості залежить від природи реагуючих речовин та від температури. Залежність швидкості простих реакцій (тобто реакцій, що протікають через один елементарний акт) від концентрації описується законом мас: швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрації речовин, що реагують, зведених у ступінь їх стехіометричних коефіцієнтів.

Наприклад розберемо реакцію 2NO + O 2 = 2NO 2 .

У ній v= k * 2 *

У випадку, коли рівняння хімічної реакції не відповідає елементарному акту взаємодії, а відображає лише зв'язок між масою речовин, що вступили в реакцію і утворилися, то ступеня у концентрацій не будуть рівні коефіцієнтам, що стоять перед формулами відповідних речовин у рівнянні реакції. Для реакції, яка протікає в кілька стадій, швидкість реакції визначається швидкістю повільної (лімітує) стадії.

Така залежність швидкості реакції від концентрації речовин, що реагують, справедлива для газів і реакцій, що проходять в розчині. Реакції з участю твердих речовин не підпорядковуються закону діючих мас, оскільки взаємодія молекул відбувається на поверхні розділу фаз. Отже, швидкість гетерогенної реакції залежить ще й від величини та характеру поверхні дотику реагуючих фаз. Чим більша поверхня – тим швидше йтиме реакція.

Вплив температури на швидкість хімічної реакції

Вплив температури на швидкість хімічної реакції визначається правилом Вант-Гоффа: при підвищенні температури на кожні 10 ° З швидкість реакції збільшується в 2-4 рази.Математично це правило передається наступним рівнянням:

v t2= v t1* g (t2-t1)/10

де v t1і v t2 -швидкості реакцій при температурах t2 та t1; g — температурний коефіцієнт реакції — число, що показує, скільки разів збільшується швидкість реакції при підвищенні температури на кожні 10 ° C. Така значна залежність швидкості хімічної реакції від температури пояснюється тим, що утворення нових речовин відбувається не при будь-якому зіткненні молекул, що реагують. Взаємодіють тільки ті молекули (активні молекули), які мають достатню енергію, щоб розірвати зв'язки у вихідних частках. Тож кожна реакція характеризується енергетичним бар'єром. Для подолання молекули необхідна енергія активації -деяка надмірна енергія, якою повинна мати молекула для того, щоб її зіткнення з іншою молекулою призвело до утворення нової речовини. Зі зростанням температури кількість активних молекул швидко збільшується, що призводить до різкого зростання швидкості реакції за правилом Вант-Гоффа. Енергія активації кожної конкретної реакції залежить від природи реагуючих речовин.

Теорія активних зіткненьдає змогу пояснити вплив деяких факторів на швидкість хімічної реакції. Основні положення цієї теорії:

• Реакції відбуваються при зіткненні частинок реагентів, які мають певну енергію.
• Чим більше частинок реагентів, чим ближче вони один до одного, тим більше шансів у них зіткнутися та прореагувати.
• До реакції призводять лише ефективні зіткнення, тобто. такі за яких руйнуються чи послаблюються «старі зв'язки» і тому можуть утворитися «нові». Для цього частинки повинні мати достатню енергію.
• Мінімальний надлишок енергії, необхідний для ефективного зіткнення частинок реагентів, називається енергією активації Еа.
• Активність хімічних речовин проявляється в низькій енергії активації реакцій за їх участю. Чим нижча енергія активації, тим вища швидкість реакції.Наприклад, у реакціях між катіонами та аніонами енергія активації дуже мала, тому такі реакції протікають майже миттєво.

Вплив каталізатора

Одне з найефективніших засобів на швидкість хімічних реакцій — використання каталізаторів. До аталізаторице речовини, які змінюють швидкість реакції, а самі до кінця процесу залишаються незмінними за складом та за масою. Інакше кажучи, в момент самої реакції каталізатор бере активну участь у хімічному процесі, але до кінця реакції реагенти змінюють свій хімічний склад, перетворюючись на продукти, а каталізатор виділяється в початковому вигляді. Зазвичай роль каталізатора полягає у збільшенні швидкості реакції, хоча деякі каталізатори не прискорюють, а процес уповільнюють. Явище прискорення хімічних реакцій завдяки присутності каталізаторів має назву каталізу,а уповільнення - інгібування.

Деякі речовини не мають каталітичної дії, але їх добавки різко збільшують каталітичну здатність каталізаторів. Такі речовини називаються промоторами. Інші речовини (каталітичні отрути) зменшують або навіть повністю блокують дію каталізаторів, цей процес називається отруєнням каталізатора.

Існують два види каталізу: гомогеннийі гетерогенний. При гомогенний каталізреагенти, продукти та каталізатор становлять одну фазу (газову або рідку). В цьому випадку відсутня поверхня розділу між каталізатором та реагентами.

Особливість гетерогенного каталізуполягає в тому, що каталізатори (зазвичай тверді речовини) знаходяться в іншому фазовому стані, ніж реагенти та продукти реакції. Реакція розвивається зазвичай лежить на поверхні твердого тіла.

При гомогенному каталізі відбувається утворення проміжних продуктів між каталізатором і реагує в результаті реакції з меншим значенням енергії активації. При гетерогенному каталізі збільшення швидкості пояснюється адсорбцією речовин, що реагують на поверхні каталізатора. Внаслідок цього їх концентрація збільшується і швидкість реакції зростає.

Особливим випадком каталізу є аутокаталіз.Сенс його полягає в тому, що хімічний процес пришвидшується одним із продуктів реакції.

У житті ми стикаємося із різними хімічними реакціями. Одні з них, як іржавіння заліза, можуть тривати кілька років. Інші, наприклад, зброджування цукру на спирт, - кілька тижнів. Дрова в печі згоряють за кілька годин, а бензин у двигуні - за частку секунди.

Щоб зменшити витрати на обладнання, на хімічних заводах збільшують швидкість реакцій. А деякі процеси, наприклад, псування харчових продуктів, корозію металів - треба сповільнити.

Швидкість хімічної реакціїможна висловити як зміна кількості речовини (n, за модулем) в одиницю часу (t) - порівняйте швидкість тіла, що рухається у фізиці як зміна координат в одиницю часу: υ = Δx/Δt . Щоб швидкість не залежала від об'єму судини, в якій протікає реакція, ділимо вираз на об'єм реагуючих речовин (v), тобто отримуємозміна кількості речовини в одиницю часу в одиниці об'єму, або зміна концентрації однієї з речовин в одиницю часу:

n 2 − n 1 Δn
υ = –––––––––– = –––––––– = Δс/Δt (1)
(t 2 − t 1) v Δt v

де c = n/v - концентрація речовини,

Δ (читається «дельта») – загальноприйняте позначення зміни величини.

Якщо в рівнянні речовин різні коефіцієнти, швидкість реакції для кожного з них, розрахована за цією формулою буде різною. Наприклад, 2 моль сірчистого газу прореагували повністю з 1 моль кисню за 10 секунд в 1 літрі:

2SO 2 + O 2 = 2SO 3

Швидкість по кисню буде: υ = 1: (10 1) = 0,1 моль/л·с

Швидкість по сірчистому газу: υ = 2: (10 1) = 0,2 моль/л·с- це не потрібно запам'ятовувати та говорити на іспиті, приклад наведений для того, щоб не плутатися, якщо виникне це питання.

Швидкість гетерогенних реакцій (за участю твердих речовин) часто виражають на одиницю площі поверхонь, що стикаються:

Δn
υ = –––––– (2)
Δt S

Гетерогенними називаються реакції, коли реагуючі речовини перебувають у різних фазах:

• тверда речовина з іншим твердим, рідиною або газом,
• дві рідини, що не змішуються,
• рідина із газом.

Гомогенні реакції протікають між речовинами в одній фазі:

• між добре змішуються рідинами,
• газами,
• речовинами у розчинах.

Умови, що впливають на швидкість хімічних реакцій

1) Швидкість реакції залежить від природи реагуючих речовин. Простіше кажучи, різні речовини реагують із різною швидкістю. Наприклад, цинк бурхливо реагує із соляною кислотою, а залізо досить повільне.

2) Швидкість реакції тим більше, що вище концентраціяречовин. З сильно розведеною кислотою цинк буде реагувати значно довше.

3) Швидкість реакції значно підвищується із підвищенням температури. Наприклад, горіння палива необхідно його підпалити, т. е. підвищити температуру. Для багатьох реакцій підвищення температури на 10 ° C супроводжується збільшенням швидкості 2-4 рази.

4) Швидкість гетерогеннихреакцій збільшується із збільшенням поверхні реагуючих речовин. Тверді речовини при цьому зазвичай подрібнюють. Наприклад, щоб порошки заліза і сірки при нагріванні вступили в реакцію, залізо має бути у вигляді дрібної тирси.

Зверніть увагу, що в даному випадку мається на увазі формула (1)! Формула (2) виражає швидкість на одиниці площі, отже, не може залежати від площі.

5) Швидкість реакції залежить від наявності каталізаторів чи інгібіторів.

Каталізатори- Речовини, що прискорюють хімічні реакції, але самі при цьому не витрачаються. Приклад - бурхливе розкладання перекису водню при додаванні каталізатора - оксиду марганцю (IV):

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2

Оксид марганцю (IV) залишається на дні, його можна використати повторно.

Інгібітори- Речовини, що уповільнюють реакцію. Наприклад, для продовження терміну служби труб та батарей у систему водяного опалення додають інгібітори корозії. В автомобілях інгібітори корозії додаються в гальмівну рідину, що охолоджує.

Ще кілька прикладів.

Системи. Але дана величина не відображає реальну можливість перебігу реакції, її швидкістьта механізм.

Для повноцінного уявлення хімічної реакції, треба знати у тому, які існують тимчасові закономірності під час її здійсненні, тобто. швидкість хімічної реакціїта її детальний механізм. Швидкість та механізм реакції вивчає хімічна кінетика- Наука про хімічний процес.

З погляду хімічної кінетики реакції можна класифікувати на прості та складні.

Прості реакції– процеси, які відбуваються без утворення проміжних сполук. За кількістю частинок, що беруть у ній участь, вони поділяються на мономолекулярні, бімолекулярні, тримолекулярні.Зіткнення більшого ніж 3 числа частинок малоймовірне, тому тримолекулярні реакції досить рідкісні, а чотиримолекулярні - невідомі. Складні реакції– процеси, які з кількох елементарних реакцій.

Будь-який процес протікає з властивою йому швидкістю, яку можна визначити за змінами, що відбуваються за певний відрізок часу. Середню швидкість хімічної реакціївиражають зміною кількості речовини nвитраченої чи отриманої речовини в одиниці об'єму V за одиницю часу t.

υ = ± dn/ dt· V

Якщо речовина витрачається, то ставимо знак "-", якщо накопичується - "+"

При постійному обсязі:

υ = ± dC/ dt,

Одиниця виміру швидкості реакції моль/л·с

В цілому, υ — величина постійна і не залежить від того, за якою речовиною, що бере участь у реакції, ми стежимо.

Залежність концентрації реагенту або продукту від часу протікання реакції подають у вигляді кінетичної кривої, яка має вигляд:

Обчислювати з експериментальних даних зручніше, якщо зазначені вище вирази перетворити на наступний вираз:

Закон чинних мас. Порядок та константа швидкості реакції

Одне з формулювань закону чинних масзвучить так: Швидкість елементарної гомогенної хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагентів.

Якщо досліджуваний процес подати у вигляді:

а А + b В = продукти

то швидкість хімічної реакції можна виразити кінетичним рівнянням:

υ = k · [A] a · [B] bабо

υ = k·C a A ·C b B

Тут [ A] та [B] (C A іC B)- концентрації реагентів,

а іb– стехіометричні коефіцієнти простої реакції,

k- Константа швидкості реакції.

Хімічний зміст величини k- це швидкість реакціїпри поодиноких концентраціях. Тобто якщо концентрації речовин А і В дорівнюють 1, то υ = k.

Треба враховувати, що у складних хімічних процесах коефіцієнти а іbне збігаються зі стехіометричними.

Закон діючих мас виконується за дотримання низки умов:

• Реакція активується теплово, тобто. енергією теплового руху.
• Концентрація реагентів розподілена рівномірно.
• Властивості та умови середовища під час процесу не змінюються.
• Властивості середовища не повинні впливати на k.

До складних процесів закон дії мас застосувати не можна. Це можна пояснити тим, що складний процес складається з декількох елементарних стадій, і його швидкість визначатиметься не сумарною швидкістю всіх стадій, лише однією найповільнішою стадією, яка називається лімітує.

Кожна реакція має свій порядок. Визначають приватний (парціальний) порядокпо реагенту та загальний (повний) порядок. Наприклад, у вираженні швидкості хімічної реакції для процесу

а А + b В = продукти

υ = k·[ A] a·[ B] b

a- Порядок по реагенту А

b — порядок по реагенту У

Загальний порядок a + b = n

Для простих процесівпорядок реакції вказує на кількість частинок, що реагують (збігається зі стехіометричними коефіцієнтами) і приймає цілочисельні значення. Для складних процесівпорядок реакції не збігається зі стехіометричними коефіцієнтами і може бути будь-яким.

Визначимо чинники, що впливають швидкість хімічної реакції υ.

1. Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин

   визначається законом діючих мас: υ = k[ A] a·[ B] b

Очевидно, що зі збільшенням концентрацій реагуючих речовин υ збільшується, т.к. збільшується кількість зіткнень між речовинами, що беруть участь у хімічному процесі. Причому важливо враховувати порядок реакції: якщо це n = 1щодо деякого реагенту, то її швидкість прямо пропорційна концентрації цієї речовини. Якщо за якимось реагентом n = 2, то подвоєння його концентрації призведе до зростання швидкості реакції в 22 = 4 рази, а збільшення концентрації в 3 рази прискорить реакцію в 32 = 9 разів.

Хімічні реакції протікають з різними швидкостями: з малою швидкістю – при утворенні сталактитів та сталагмітів, із середньою швидкістю – при варінні їжі, миттєво – при вибуху. Дуже швидко відбуваються реакції у водних розчинах.

Визначення швидкості хімічної реакції, а також з'ясування її залежності від умов проведення процесу – завдання хімічної кінетики – науки про закономірності перебігу хімічних реакцій у часі.

Якщо хімічні реакції відбуваються в однорідному середовищі, наприклад, у розчині або в газовій фазі, то взаємодія реагуючих речовин відбувається у всьому обсязі. Такі реакції називають гомогенними.

(v гомог) визначається як зміною кількості речовини в одиницю часу в одиниці об'єму:

де Δn - зміна числа молей однієї речовини (найчастіше вихідної, але можливо і продукту реакції); Δt - інтервал часу (с, хв); V - обсяг газу чи розчину (л).

Оскільки відношення кількості речовини до обсягу є молярною концентрацією С, то

Таким чином, швидкість гомогенної реакції визначається як зміна концентрації однієї з речовин в одиницю часу:

якщо об'єм системи не змінюється.

Якщо реакція йде між речовинами, що знаходяться в різних агрегатних станах (наприклад, між твердою речовиною і газом або рідиною), або між речовинами, нездатними утворювати гомогенне середовище (наприклад, між рідинами, що не змішуються), то вона проходить тільки на поверхні зіткнення речовин. Такі реакції називають гетерогенними.

Визначається як зміна кількості речовини за одиницю часу на одиниці поверхні.

де S - площа поверхні зіткнення речовин (м 2 см 2).

Зміна кількості речовини, якою визначають швидкість реакції, - це зовнішній чинник, що спостерігається дослідником. По суті всі процеси здійснюються на мікрорівні. Очевидно, для того, щоб якісь частки прореагували, вони передусім мають зіткнутися, причому зіткнутися ефективно: не розлетітися, як м'ячики, в різні боки, а так, щоб у частках зруйнувалися чи ослабли «старі зв'язки» та змогли утворитися «нові» », а для цього частинки повинні мати достатню енергію.

Розрахункові дані показують, що, наприклад, у газах зіткнення молекул при атмосферному тиску обчислюються мільярдами за 1 секунду, тобто всі реакції мали б йти миттєво. Але це не так. Виявляється, що лише дуже невелика частка молекул має необхідну енергію, що призводить до ефективного зіткнення.

Мінімальний надлишок енергії, який повинна мати частка (або пара частинок), щоб відбулося ефективне зіткнення, називають енергією активації E a .

Таким чином, на шляху всіх частинок, що вступають у реакцію, є енергетичний бар'єр, що дорівнює енергії активації E a . Коли він маленький, то є багато частинок, які можуть його подолати, і швидкість реакції велика. В іншому випадку потрібен «поштовх». Коли ви підносите сірник, щоб запалити спиртування, ви повідомляєте додаткову енергію E a , необхідну для ефективного зіткнення молекул спирту з молекулами кисню (подолання бар'єру).

Швидкість хімічної реакції залежить багатьох чинників. Основними з них є: природа та концентрація реагуючих речовин, тиск (у реакціях за участю газів), температура, дія каталізаторів та поверхня реагуючих речовин у разі гетерогенних реакцій.

Температура

При підвищенні температури найчастіше швидкість хімічної реакції значно зростає. У ХІХ ст. голландський хімік Я. X. Вант-Гофф сформулював правило:

Підвищення температури кожні 10 °З призводить до підвищенняшвидкості реакції у 2-4 рази(Цю величину називають температурним коефіцієнтом реакції).

При підвищенні температури середня швидкість молекул, їх енергія, кількість зіткнень збільшуються незначно, зате різко підвищується частка «активних» молекул, що беруть участь у ефективних зіткненнях, що долають енергетичний бар'єр реакції. Математично ця залежність виражається співвідношенням:

де v t 1 і v t 2 - швидкості реакції відповідно при кінцевій t 2 і початковій t 1 температурах, а - температурний коефіцієнт швидкості реакції, який показує, у скільки разів збільшується швидкість реакції з підвищенням температури на кожні 10 °С.

Однак для збільшення швидкості реакції підвищення температури не завжди застосовується, тому що вихідні речовини можуть почати розкладатися, можуть випаровуватися розчинники або самі речовини і т.д.

Ендотермічні та екзотермічні реакції

Реакція метану із киснем повітря, як відомо, супроводжується виділенням великої кількості тепла. Тому її використовують у побуті для приготування їжі, нагрівання води та опалення. Природний газ, що надходить у будинки трубами, на 98% складається саме з метану. Реакція оксиду кальцію (СаО) із водою також супроводжується виділенням великої кількості тепла.

Про що можуть казати ці факти? При утворенні нових хімічних зв'язків у продуктах реакції виділяється більшеенергії, чим потрібно розрив хімічних зв'язків у реагентах. Надлишок енергії виділяється у вигляді тепла, а іноді й світла.

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 Про + Q (енергія (світло, тепло));

СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2 + Q (енергія (тепло)).

Такі реакції повинні протікати легко (як легко котиться камінь під гору).

Реакції, у яких енергія виділяється, називаються ЕКЗОТЕРМІЧНИМИ(Від латинського «екзо» - назовні).

Наприклад, багато окислювально-відновних реакцій є екзотермічними. Одна з таких гарних реакцій - внутрішньомолекулярне окислення-відновлення, що протікає всередині однієї і тієї ж солі - дихромату амонію (NH 4) 2 Cr 2 O 7:

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O + Q (енергія).

Інша річ – зворотні реакції. Вони аналогічні закочування каменю в гору. Отримати метан з CO 2 і води досі не вдається, а для отримання негашеного вапна СаО гідроксиду кальцію Са(ОН) 2 потрібне сильне нагрівання. Така реакція йде лише за постійного припливу енергії ззовні:

Са(ОН) 2 = СаО + Н 2 О - Q (енергія (тепло))

Це говорить про те, що розрив хімічних зв'язків Ca(OH) 2 вимагає більшої енергії, ніж може виділитися при утворенні нових хімічних зв'язків у молекулах CaO і H 2 O.

Реакції, у яких енергія поглинається, називаються ЕНДОТЕРМІЧНИМИ(Від "ендо" - всередину).

Концентрація реагуючих речовин

Зміна тиску за участю реакції газоподібних речовин також призводить до зміни концентрації цих речовин.

Щоб здійснилася хімічна взаємодія між частинками, вони мають ефективно зіткнутися. Чим більша концентрація реагуючих речовин, тим більше зіткнень і, відповідно, вища швидкість реакції. Наприклад, у чистому кисні ацетилен згоряє дуже швидко. У цьому розвивається температура, достатня плавлення металу. На основі великого експериментального матеріалу в 1867 р. норвежцями К. Гульденбергом і П. Вааге і незалежно від них у 1865 р. російським вченим Н. І. Бекетовим був сформульований основний закон хімічної кінетики, що встановлює залежність швидкості реакції від концентрації речовин, що реагують.

Швидкість хімічної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих у ступенях, рівних їх коефіцієнтам рівняння реакції.

Цей закон називають також законом чинних мас.

Для реакції А + В = D цей закон висловиться так:

Для реакції 2А + В = D цей закон висловиться так:

Тут С А, С - концентрації речовин А і В (моль/л); k 1 і k 2 - Коефіцієнти пропорційності, звані константами швидкості реакції.

Фізичний зміст константи швидкості реакції неважко встановити - вона чисельно дорівнює швидкості реакції, в якій концентрації реагуючих речовин дорівнюють 1 моль/л або їх добуток дорівнює одиниці. У такому разі ясно, що константа швидкості реакції залежить тільки від температури і залежить від концентрації речовин.

Закон чинних мас не враховує концентрації реагуючих речовин, що знаходяться у твердому стані, Оскільки вони реагують на поверхні та їх концентрації зазвичай є постійними.

Наприклад, для реакції горіння вугілля вираз швидкості реакції має бути записано так:

т. е. швидкість реакції пропорційна лише концентрації кисню.

Якщо ж рівняння реакції описує лише сумарну хімічну реакцію, яка проходить у кілька стадій, швидкість такої реакції може складним чином залежати від концентрацій вихідних речовин. Ця залежність визначається експериментально чи теоретично виходячи з передбачуваного механізму реакції.

Дія каталізаторів

Можна збільшити швидкість реакції, використовуючи спеціальні речовини, які змінюють механізм реакції і направляють її енергетично більш вигідному шляху з меншою енергією активації. Їх називають каталізаторами (від латів. katalysis – руйнація).

Каталізатор діє як досвідчений провідник, що спрямовує групу туристів не через високий перевал у горах (його подолання вимагає багато сил і часу і не всім доступно), а відомими йому обхідними стежками, якими можна подолати гору значно легше і швидше.

Щоправда, обхідним шляхом можна потрапити не зовсім туди, куди веде головний перевал. Але іноді саме це потрібно! Саме так діють каталізатори, які називаються селективними. Зрозуміло, що немає необхідності спалювати аміак та азот, зате оксид азоту (II) знаходить використання у виробництві азотної кислоти.

Каталізатори- це речовини, що беруть участь у хімічній реакції та змінюють її швидкість або напрямок, але після закінчення реакції залишаються незмінними кількісно та якісно.

Зміну швидкості хімічної реакції чи її напрями з допомогою каталізатора називають каталізом. Каталізатори широко використовують у різних галузях промисловості та на транспорті (каталітичні перетворювачі, що перетворюють оксиди азоту вихлопних газів автомобіля на нешкідливий азот).

Розрізняють два види каталізу.

Гомогенний каталіз, при якому і каталізатор, і речовини, що реагують знаходяться в одному агрегатному стані (фазі).

Гетерогенний каталіз, при якому каталізатор та реагуючі речовини знаходяться в різних фазах. Наприклад, розкладання пероксиду водню у присутності твердого каталізатора оксиду марганцю (IV):

Сам каталізатор не витрачається в результаті реакції, але якщо на його поверхні адсорбуються інші речовини (їх називають каталітичною отрутою), то поверхня стає непрацездатною, потрібна регенерація каталізатора. Тому перед проведенням каталітичної реакції ретельно очищають вихідні речовини.

Наприклад, при виробництві сірчаної кислоти контактним способом використовують твердий каталізатор - оксид ванадію (V) V 2 O 5:

При виробництві метанолу використовують твердий «цинкохромовий» каталізатор (8ZnO Cr 2 O 3 х CrO 3):

Дуже ефективно працюють біологічні каталізатори – ферменти. За хімічною природою це білки. Завдяки їм у живих організмах за невисокої температури з великою швидкістю протікають складні хімічні реакції.

Відомі інші цікаві речовини – інгібітори (від лат. inhibere – затримувати). Вони швидко реагують з активними частинками з утворенням малоактивних сполук. В результаті реакція різко уповільнюється і потім припиняється. Інгібітори часто спеціально додають у різні речовини, щоб запобігти небажаним процесам.

Наприклад, з допомогою інгібіторів стабілізують розчини пероксиду водню.

Природа речовин, що реагують (їх склад, будова)

Значення енергії активаціїє тим фактором, за допомогою якого позначається вплив природи речовин, що реагують, на швидкість реакції.

Якщо енергія активації мала (< 40 кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкнове­ний между частицами реагирующих веществ при­водит к их взаимодействию, и скорость такой ре­акции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих ре­акциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в данных случаях ничтожно мала.

Якщо енергія активації велика(> 120 кДж/моль), це означає, що лише нікчемна частина зіткнень між взаємодіючими частинками призводить до реакції. Швидкість такої реакції тому дуже мала. Наприклад, перебіг реакції синтезу аміаку за нормальної температури помітити практично неможливо.

Якщо енергії активації хімічних реакцій мають проміжні значення (40120 кДж/моль), швидкості таких реакцій будуть середніми. До таких реакцій можна віднести взаємодію натрію з водою або етиловим спиртом, знебарвлення бромної води етиленом, взаємодію цинку з соляною кислотою та ін.

Поверхня дотику реагуючих речовин

Швидкість реакцій, що йдуть на поверхні речовин, тобто гетерогенних, залежить за інших рівних умов від властивостей цієї поверхні. Відомо, що розтерта на порошок крейда набагато швидше розчиняється в соляній кислоті, ніж рівний по масі шматочок крейди.

Збільшення швидкості реакції пояснюється насамперед збільшенням поверхні дотику вихідних речовин, а також ряд інших причин, наприклад, порушенням структури «правильної» кристалічної решітки. Це призводить до того, що частинки на поверхні мікрокристалів, що утворюються, значно реакційноздатніше, ніж ті ж частинки на «гладкій» поверхні.

У промисловості для проведення гетерогенних реакцій використовують «киплячий шар», щоб збільшити поверхню зіткнення реагуючих речовин, підведення вихідних речовин та відведення продуктів. Наприклад, при виробництві сірчаної кислоти за допомогою «киплячого шару» проводять випал колчедану.

Довідковий матеріал для проходження тестування:

таблиця Менделєєва

Таблиця розчинності