Обсудим следующие вопросы: Зачем нужны знания о скорости химических реакций? Какими примерами можно подтвердить то, что химические реакции протекают с различными скоростями? Как определяют скорость механического движения? Какова единица измерения этой скорости? Как определяют скорость химической реакции? Какие условия необходимо создать, чтобы началась химическая реакция?
Скорость реакции определяется изменением количества вещества в единицу времени В единице V (для гомогенной) На единице поверхности соприкосновения веществ S (для гетерогенной) n - изменение количества вещества (моль); t– интервал времени (с, мин) - изменение молярной концентрации;
Анализ таблицы, выводы: по приведённым формулам можно рассчитать лишь некоторую среднюю скорость данной реакции в выбранном интервале времени (ведь для большинства реакций скорость уменьшается по мере их протекания); рассчитанная величина скорости будет зависеть от того, по какому веществу её определяют, а выбор последнего зависит от удобства и лёгкости измерения его количества. Например, для реакции 2Н2 +О2 = 2Н2О: v (по Н2) = 2v (по О2) = v (по Н2О)
Задача на применение знаний по «Скорости химических реакций» Химическая реакция протекает в растворе, согласно уравнению: А+В = С. Исходные концентрации: вещества А – 0,80 моль/л, вещества В – 1,00 моль/л. Через 20 минут концентрация вещества А снизилась до 0, 74 моль/л. Определите: а) среднюю скорость реакции за этот промежуток времени; б) концентрацию вещества В через 20 мин.
Самопроверка Дано: С (А) 1 = 0,80 моль/л С (В) 1 = 1,00 моль/л С (А) 2 = 0,74 моль/л = 20 мин Найти. а) гомоген =? б) С (В) 2 =? Решение: а) определение средней скорости реакции в растворе производится по формуле: б) определение количеств реагирующих веществ: А + В = С По уравнению 1 моль 1 моль По условию 0,06 моль 0,06 моль Количества прореагировавших веществ. Следовательно, С(В) 2 = С(В) 1 - С = 1,00 -0,06=0,94моль/л Ответ: гомоген. = 0,003 моль/л С(В) 2 = 0,94 моль/л
Теория столкновений Основная идея её такова: реакции происходят при столкновении частиц реагентов, которые обладают определённой энергией. Выводы: Чем больше частиц реагентов, чем ближе они друг к другу, тем больше шансов у них столкнуться и прореагировать. К реакции приводят лишь эффективные соударения, т.е. такие при которых разрушаются или ослабляются «старые связи» и поэтому могут образоваться «новые». Но для этого частицы должны обладать достаточной энергией. Минимальный избыток энергии (над средней энергией частиц в системе), необходимый для эффективного соударения частиц в системе), необходимый для эффективного соударения частиц реагентов, называется энергией активации Еа.
1. Природа реагирующих веществ Под природой реагирующих веществ понимают их состав, строение, взаимное влияние атомов в неорганических и органических веществах. Величина энергии активации веществ – это фактор, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции.
2. Температура При увеличении температуры на каждые 10° С общее число столкновений увеличивается только на ~ 1,6 %, а скорость реакции увеличивается в 2-4 раза (на %). Число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10° С, называют температурным коэффициентом. Правило Вант-Гоффа математически выражается следующей формулой: где –скорость реакции при температуре t 2, – скорость реакции при температуре t 1, – температурный коэффициент.
3. Концентрации реагирующих веществ На основе большого экспериментального материала в 1867 г. норвежские учёные К. Гульдберг, и П Вааге и независимо от них в 1865 г. русский учёный Н.И. Бекетов сформулировали основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ: скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях равных их коэффициентам в уравнении реакции. Этот закон ещё называют законом действующих масс.
Математическое выражение закона действующих масс. скорость реакции А+В=С вычисляется по формуле: v 1 = k 1 C A C B, скорость реакции А+2В=D вычисляется по формуле: v 2 = k 2 C A C B. C A и C B – концентрации веществ А и В (моль/л), k 1 и k 2 – коэффициенты пропорциональности, называемые константами скоростей реакции. Константа скорости зависит только от температуры, но не от концентрации веществ. Эти формулы также называют кинетическими уравнениями.
Задача на применение знаний: 1. Составьте кинетические уравнения для следующих реакций: А) H 2 +I 2 =2HI; Б) 2 Fe + 3CI 2 = 2 FeCI Как изменится скорость реакции, имеющей кинетическое уравнение v= kC A 2C B, если А) концентрацию вещества А увеличить в 3 раза; Б) концентрацию вещества А увеличить в 3 раза, а концентрацию В уменьшить в 3 раза?
4. Действие катализатора Обсуждение вопросов: 1.Что такое катализатор и каталитические реакции? 2. Приведите примеры известных вам каталитических реакций из органической и неорганической химии. Укажите названия веществ – катализаторов. 3. Выскажите предположение о механизме действия катализаторов (на основе теории столкновений). 4. Каково значение каталитических реакций?
5.Поверхность соприкосновения реагирующих веществ Скорость реакции увеличивается благодаря: -увеличению площади поверхности соприкосновения реагентов (измельчение); -повышению реакционной способности частиц на поверхности образующихся при измельчении микрокристаллов; -непрерывному подводу реагентов и хорошему отводу продуктов с поверхности, где идёт реакция. Фактор связан с гетерогенными реакциями, которые протекают на поверхности соприкосновения реагирующих веществ: газ - твердое вещество, газ - жидкость, жидкость - твердое вещество, жидкость - другая жидкость, твердое вещество - другое твердое вещество, при условии, что они не растворимы друг в друге. Приведите примеры гетерогенных реакций.
Выводы по теме урока Химические реакции протекают с различными скоростями. Величина скорости реакции не зависит от объёма в гомогенной системе и от площади соприкосновения реагентов – в гетерогенной. На пути всех частиц, вступающих в химическую реакцию, имеется энергетический барьер, равный энергии активации Eа. Скорость реакции зависит от факторов: -природа реагирующих веществ; -температура; -концентрация реагирующих веществ; - действие катализаторов; -поверхность соприкосновения реагирующих веществ (в гетерогенных реакциях).
Выводы по теме урока Величина энергии активации веществ – это фактор, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции. Чем меньше энергия активации, тем больше эффективных соударений реагирующих частиц. При увеличении температуры на 10º С общее число активных соударений увеличивается в 2-4 раза. Чем больше концентрации реагентов, тем больше соударений реагирующих частиц, а среди них и эффективных соударений. Катализатор изменяет механизм реакции и направляет её по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации. Ингибитор замедляет ход реакции. Гетерогенные реакции протекают на поверхности соприкосновения реагирующих веществ. Нарушение правильной структуры кристаллической решётки приводит к тому, что частицы на поверхности образующихся микрокристаллов значительно реакционноспособнее, чем те же частицы на «гладкой» поверхности.
Движенья все непрерывную цепь
образуют И возникают одно из
другого в известном порядке.
Лукреций
Что такое механизм химической реакции? Что такое кинетическое уравнение реакции и в чем его смысл? Каков механизм действия катализатора? Что такое ингибиторы?
Урок-лекция
ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ КАК ПРИМЕР ДВИЖЕНИЯ . Вспомните, что такое скорость химической реакции и от каких факторов она зависит.
Химические реакции идут с различными скоростями. Диапазон их скоростей чрезвычайно широк - от практически мгновенных реакций (взрыв, многие реакции в растворах) до крайне медленных, идущих столетиями (например, окисление бронзы на воздухе).
Гравюра. Алхимики
В XIX в. было установлено, что химические реакции в подавляющем большинстве представляют собой многостадийные процессы, т. е. совершаются не путем непосредственного одновременного столкновения частиц реагентов с образованием продуктов, а через ряд простых (элементарных) процессов. Действительно, если бы, к примеру, реакция окисления аммиака шла в одну стадию, то это потребовало бы огромных затрат энергии на одновременный разрыв связей в молекулах аммиака и кислорода. Кроме того, вероятность столкновения трех частиц очень мала, четырех - практически равна нулю. Одновременное же столкновение семи частиц (четырех молекул аммиака и трех молекул кислорода) просто невозможно.
Каждая элементарная стадия химической реакции - это либо химический процесс (скажем, распад одной молекулы или столкновение двух частиц), либо переход частицы в возбужденное состояние (или, наоборот, переход ее из возбужденного в основное или низковозбужденное состояние).
Даже простая на первый взгляд реакция
идет по стадиям, причем каждая стадия протекает со своей скоростью.
1-я стадия (быстрая):
2-я стадия (относительно медленная):
Вспомните, какие частицы называют радикалами. Какие реакции называют цепными и что такое энергия активации?
Совокупность элементарных стадий химической реакции, следующих одна за другой (т. е. последовательно) или совершающихся параллельно, называют механизмом химической реакции. Механизмы реакций различны.
Для химика очень важно знать, от каких факторов зависит скорость химической реакции. Особенно важна зависимость скорости реакции (или ее стадий) от концентраций реагирующих веществ. Такую зависимость называют кинетическим уравнением . Для гипотетической реакции аА + bВ = dD + еЕ математическое выражение (кинетическое уравнение) имеет вид
где V - скорость химической реакции; с - концентрация вещества, моль/л; а, Ь - показатели степени (эти величины определяют экспериментально). Коэффициент пропорциональности к в кинетическом уравнении называют константой скорости химической реакции. Она численно равна скорости химической реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных 1 моль/л.
Скорость элементарных стадий реакции пропорциональна произведению концентраций частиц-реагентов, например:
Скорость же суммарной реакции может различным, иногда весьма сложным образом зависеть от концентрации реагентов.
Таким образом, превращение одних веществ в другие - это не одномоментное событие, а процесс, развертывающийся во времени, т. е. имеющий свою временную структуру, которая выражена механизмом реакции. Вместе с тем механизм реакции учитывает не только изменения в составе веществ - участников реакции, но и изменение положений атомов в пространстве по мере протекания реакции. Поэтому можно говорить о пространственно-временной структуре реакции.
Начало развития химической кинетики - области химии, изучающей скорости и механизмы химических реакций, пришлось на вторую половину XIX в. Фундамент этой дисциплины был заложен в 1880-е гг. голландским физикохимиком Якобом Вант-Гоффом и шведским ученым Сванте Аррениусом.
КАТАЛИЗ . Уже давно было замечено, что некоторые вещества способны заметно увеличивать скорость химической реакции, хотя сами при этом не изменяют свой химический состав. Такие вещества называют катализаторами . Например, пероксид водорода при комнатной температуре разлагается медленно: 2Н 2 0 2 = 2Н 2 0 + 0 2 . В присутствии же платины скорость его разложения возрастает более чем в 2000 раз, а фермент каталаза (содержится в крови) увеличивает скорость реакции в 90 млрд раз!
Катализатор не расходуется в химическом процессе. Он включается в промежуточные стадии процесса и регенерирует в самом конце. Поэтому само уравнение реакции его не включает.
Мир катализаторов широк и многообразен, как и способы их действия. Но в целом можно сказать, что катализатор, включаясь в механизм реакции, изменяет его и направляет процесс по энергетически более выгодному пути. При этом, что особенно важно, катализаторы могут вызывать протекание с заметной скоростью таких процессов, которые без них практически не идут.
Каждый катализатор может ускорять лишь определенные типы реакций, а в ряде случаев только отдельные реакции. Такая особенность катализаторов называется селективностью (избирательностью). Селективность действия катализаторов позволяет получать лишь определенный нужный продукт определенным образом: «направить» действие лекарства и т. п. Наибольшей селективностью и эффективностью отличаются биологические катализаторы - ферменты , которые катализируют биохимические реакции, протекающие в живых организмах.
Есть вещества, которые замедляют или вообще прекращают химические процессы. Их называют ингибиторами . Однако в отличие от катализаторов ингибиторы расходуются в ходе реакции.
- От каких причин зависят скорости химических реакций?
- Может ли скорость какой-нибудь реакции быть пропорциональна квадрату концентрации какого-либо вещества? Если да, то приведите примеры.
- Предложите гипотезу, объясняющую, почему в отличие от катализаторов ингибиторы расходуются в ходе реакции.
От каких факторов она зависит?Константа скорости реакции (удельная скорость реакции) - коэффициент пропорциональности в кинетическом уравнении.Физический смысл константы скорости реакции k следует из уравнения закона действующих масс: k численно равна скорости реакции при концентрации каждого из реагирующих веществ равной 1 моль/л.Константа скорости реакции зависит от температуры, от природы реагирующих веществ, от катализатора, но не зависит от их концентрации. Для реакции вида 2А+2В->3C+D скорость образования продуктов реакции и скорость расходования реагентов могут быть представлены как: d[A]/(2*dt)=d[B]/(2*dt)=d[C]/(3*dt)=d[D]/dt Таким образом, чтобы избежать использования нескольких форм записи скорости для одной и той же реакции используют химическую переменную, которая определяет степень протекания реакции и не зависит от стехиометрических коэффициентов: ξ=(Δn)/ν где ν - стехиометрический коэффициент. Тогда скорость реакции: v=(1/V)*dξ/dt где V - объем системы.
57.Как зависит скорость хим.реакции от температуры?Правило Вант-Гоффа,Уравнение Аррениуса.
Зависимость скорости реакции от температуры приближенно определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа: при изменении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства реакций изменяется в 2-4 раза.
Математически правило Вант-Гоффа выражается так:
где v(T2) и v(T1) - скорости реакций, соответственно при температурах Т2 и T1 (T2> T1);
γ-температурный коэффициент скорости реакции.
Значение γ для эндотермической реакции выше, чем для экзотермической. Для многих реакций γ лежит в пределах 2-4.
Физический смысл величины γ заключается в том, что он показывает, во сколько раз изменяется скорость реакции при изменении температуры на каждые 10 градусов.
Поскольку скорость реакции и константа скорости химической реакции прямопропорциональны, то выражение (3.6) часто записывают в следующем виде:
где k(T2), k(T1)- константы скорости реакции соответственно
при температурах T2 и T1;
γ -температурный коэффициент скорости реакции.
Уравнение Аррениуса . В 1889 г. шведский ученый С. Арре-1иус на основании экспериментов вывел уравнение, которое на-звано его именем
где k - константа скорости реакции;
k0 - предэксноненциальный множитель;
е - основание натурального логарифма;
Ea - постоянная, называемая энергией активации, определяемая природой реагентов:
R-универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль×К.
Значения Еa для химических реакций лежат в пределах 4 - 400 кДж/моль.
Многие реакции характеризуются определенным энергети-ческим барьером. Для его преодоления необходима энергия актации - некоторая избыточная энергия (по сравнению со вредней энергией молекул при данной температуре), которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение было эффективным, т. е. привело бы к образованию нового ве-щества. С ростом температуры число активных молекул быстро увеличивается, что и приводит к резкому возрастанию скорости реакции.
В общем случае, если температура реакции изменяется от Т1 до Т2, уравнение (3.9) после логарифмирования примет вид:
.
Это уравнение позволяет рассчитывать энергию активации реакции при изменении температуры от Т1 до Т2.
Скорость химических реакций возрастает в присутствии катализатора. Действие катализатора заключается в том, что он образует с реагентами неустойчивые промежуточные соединения (активированные комплексы), распад которых приводит к. образованию продуктов реакции. При этом энергия активации, понижается, и активными становятся молекулы, энергия которых была недостаточна для осуществления реакции в отсутствие, катализатора. В результате возрастает общее число активных£ молекул и увеличивается скорость реакции.
1. Что называют скоростью химической реакции? В каких единицах ее измеряют? От каких факторов она зависит?
2. Сравните понятия «скорость движения» и «скорость химической реакции». Что между ними общего?
3. Какие две классификации реакций по агрегатному состоянию реагентов и по участию в них катализатора вы можете предложить? Приведите примеры таких реакций, запишите их уравнения.
4. Сформулируйте закон действующих масс. Для каких реакций он справедлив?
5. Сформулируйте закон Вант-Гоффа.
6. Что такое катализаторы? На какие группы их можно разделить? Где наиболее эффективно можно использовать ингибиторы?
7. Что такое ферменты? Сравните их с неорганическими катализаторами. Назовите области применения ферментов.
8. Почему при обработке порезов и других ран пероксидом водорода наблюдается его бурное «вскипание»?
9. Сухой хлор хранят в железных баллонах. Влажный хлор разрушает железо. Какую роль играет вода в этом процессе?
10. Для реакции были взяты вещества при температуре 40°С. Затем их нагрели до температуры 70°С. Как изменится скорость химической реакции, если температурный коэффициент ее равен 2?
11. Запишите уравнение, отражающее закон действующих масс, для реакций, уравнения которых:
а) 2NO+O₂↔2NO₂;
б) I₂+H₂↔2HI
12. Почему продукты питания хранят в холодильниках?