Скорость химических реакций зависимость

Скорость реакции, ее зависимость от различных факторов

Скорость химической реакции — изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства.

На скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

  • природа реагирующих веществ;
  • концентрация реагирующих веществ;
  • поверхность соприкосновения реагирующих веществ (в гетерогенных реакциях);
  • температура;
  • действие катализаторов.

Теория активных столкновений позволяет объяснить влияние некоторых факторов на скорость химической реакции. Основные положения этой теории:

  • Реакции происходят при столкновении частиц реагентов, которые обладают определённой энергией.
  • 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». Для этого частицы должны обладать достаточной энергией.
  • Минимальный избыток энергии, необходимый для эффективного соударения частиц реагентов, называется энергией активации Еа.
  • Активность химических веществ проявляется в низкой энергии активации реакций с их участием. Чем ниже энергия активации, тем выше скорость реакции. Например, в реакциях между катионами и анионами энергия активации очень мала, поэтому такие реакции протекают почти мгновенно

Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость реакции

При повышении концентрации реагирующих веществ скорость реакции возрастает. Для того чтобы вступить в реакцию, две химические частицы должны сблизиться, поэтому скорость реакции зависит от числа столкновений между ними. Увеличение числа частиц в данном объеме приводит к более частым столкновениям и к возрастанию скорости реакции.

К увеличению скорости реакции протекающей в газовой фазе приведет повышение давления или уменьшение объема, занимаемого смесью.

На основе экспериментальных данных 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-

Закон действующих масс (ЗДМ) :
Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях равных их коэффициентам в уравнении реакции. («действующая масса» – синоним современного понятия «концентрация»)

аА + bВ = cС +dD, где k – константа скорости реакции

ЗДМ выполняется только для элементарных химических реакций, протекающих в одну стадию. Если реакция протекает последовательно через несколько стадий, то суммарная скорость всего процесса определяется самой медленной его частью.

Выражения для скоростей различных типов реакций

ЗДМ относится к гомогенным реакциям. Если реакция геторогенная (реагенты находятся в разных агрегатных состояниях), то в уравнение ЗДМ входят только жидкие или только газообразные реагенты, а твердые исключаются, оказывая влияние только на константу скорости k.

Молекулярность реакции – это минимальное число молекул, участвующих в элементарном химическом процессе. По молекулярности элементарные химические реакции делятся на молекулярные (А →) и бимолекулярные (А + В →); тримолекулярные реакции встречаются чрезвычайно редко.

Скорость гетерогенных реакций

  • Зависит от площади поверхности соприкосновения веществ, т.е. от степени измельчения веществ, полноты смешивания реагентов.
  • Пример — горение древесины. Целое полено горит на воздухе сравнительно медленно. Если увеличить поверхность соприкосновения дерева с воздухом, расколов полено на щепки, скорость горения увеличится.
  • Пирофорное железо высыпают на лист фильтровальной бумаги. За время падения частицы железа раскаляются и поджигают бумагу.

Влияние температуры на скорость реакции

В XIX веке голландский ученый Вант-Гофф опытным путем обнаружил, что при повышении температуры на 10 о С скорости многих реакций возрастают в 2-4 раза.

Правило Вант-Гоффа

При повышении температуры на каждые 10 ◦ С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза.

Здесь γ (греческая буква «гамма») — так называемый температурный коэффициент или коэффициент Вант-Гоффа, принимает значения от 2 до 4.

Для каждой конкретной реакции температурный коэффициент определяется опытным путем. Он показывает, во сколько именно раз возрастает скорость данной химической реакции (и ее константа скорости) при повышении температуры на каждые 10 градусов.

Правило Вант-Гоффа используется для приближенной оценки изменения константы скорости реакции при повышении или понижении температуры. Более точное соотношение между константой скорости и температурой установил шведский химик Сванте Аррениус:

Чем больше Ea конкретной реакции, тем меньше (при данной температуре) будет константа скорости k (и скорость) этой реакции. Повышение Т приводит к увеличению константы скорости, это объясняется тем, что повышение температуры приводит к быстрому увеличению числа «энергичных» молекул, способных преодолевать активационный барьер Ea.

Влияние катализатора на скорость реакции

Можно изменить скорость реакции, используя специальные вещества, которые изменяют механизм реакции и направляют ее по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации.

Катализаторы – это вещества, участвующие в химической реакции и увеличивающие ее скорость, но по окончании реакции остающиеся неизменными качественно и количественно.

Ингибиторы – вещества, замедляющие химические реакции.

Изменение скорости химической реакции или ее направления с помощью катализатора называют катализом.

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.

Основные изучаемые понятия:

— скорость химических реакций

— гомогенные и гетерогенные реакции

— факторы, влияющие на скорость химических реакций

— обратимые и необратимые реакции

Химические реакции – это реакции, в результате которых из одних веществ получаются другие (из исходных веществ образуются новые вещества). Одни химические реакции протекают за доли секунды (взрыв), другие же – за минуты, дни, годы, десятилетия и т.д.

Например: мгновенно с воспламенением и взрывом происходит реакция горения пороха, а реакция потемнения серебра или ржавления железа (коррозия) идёт так медленно, что проследить за её результатом можно лишь по истечении длительного времени.

Для характеристики быстроты химической реакции используют понятие скорости химической реакции – υ.

Скорость химической реакции – это изменение концентрации одного из реагирующих веществ реакции в единицу времени.

Формула вычисления скорости химической реакции:

с1 – молярная концентрация вещества в начальный момент времени t1

с2 – молярная концентрация вещества в начальный момент времени t2

так как скорость химической реакции характеризуется изменением молярной концентрации реагирующих веществ (исходных веществ), то t2 > t1, а с2 > с1 (концентрация исходных веществ убывает по мере протекания реакции).

Молярная концентрация (с) – это количество вещества в единице объёма. Единица измерения молярной концентрации — [моль/л].

Раздел химии, который изучает скорость химических реакций, называется химической кинетикой. Зная её законы, человек может управлять химическими процессами, задавать им определённую скорость.

При расчёте скорости химической реакции необходимо помнить, что реакции делятся на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные реакции– реакции, которые протекают в одной среде (т.е. реагирующие вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии; например: газ + газ, жидкость + жидкость).

Гетерогенные реакции – это реакции, протекающие между веществами в неоднородной среде (есть поверхность раздела фаз, т.е. реагирующие вещества находятся в разном агрегатном состоянии; например: газ + жидкость, жидкость + твёрдое вещество).

Данная выше формула расчёта скорости химической реакции справедлива только для гомогенных реакций. Если реакция гетерогенная, то она может идти только на поверхности разделе реагирующих веществ.

Для гетерогенной реакции скорость вычисляется по формуле:

∆ν – изменение количества вещества

S – площадь поверхности раздела фаз

∆ t – промежуток времени, за который проходила реакция

Скорость химических реакций зависит от разных факторов: природы реагирующих веществ, концентрации веществ, температуры, катализаторов или ингибиторов.

Зависимость скорости реакций от природы реагирующих веществ.

Разберём данную зависимость скорости реакции на примере: опустим в две пробирки, в которых находится одинаковое количество раствора соляной кислоты (HCl), одинаковые по площади гранулы металлов: в первую пробирку гранулу железа (Fe), а во вторую – гранулу магния (Mg). В результате наблюдений, по скорости выделения водорода (Н2), можно заметить, что с наибольшей скорость с соляной кислотой реагирует магний, чем железо. На скорость данной химической реакции оказывает влияние природа металла (т.е. магний более химически активный металл, чем железо, и поэтому он более энергично взаимодействует с кислотой).

Зависимость скорости химических реакций от концентрации реагирующих веществ.

Чем выше концентрация реагирующего (исходного) вещества, тем быстрее протекает реакция. И наоборот, чем меньше концентрация реагирующего вещества, тем медленнее идёт реакция.

Например: нальём в одну пробирку концентрированный раствор соляной кислоты (HCl), а в другую – разбавленный раствор соляной кислоты. Положим в обе пробирки по грануле цинка (Zn). Пронаблюдаем, по скорости выделения водорода, что реакция быстрее пойдёт в первой пробирке, т.к. концентрация соляной кислоты в ней больше, чем во второй пробирке.

Для определения зависимости скорости химической реакции применяют закон действия (действующих) масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, которые равны их коэффициентам.

Например, для реакции, протекающей по схеме: nA + mB → D , скорость химической реакции определяют по формуле:

C (A) – молярная концентрация вещества А

C (В) – молярная концентрация вещества В

n и m – их коэффициенты

k – константа скорости химической реакции (справочная величина).

Закон действия масс не распространяется на вещества, находящиеся в твёрдом состоянии, т.к. их концентрация постоянна (вследствие того, что они реагируют лишь на поверхности, которая остаётся неизменной).

Например: для реакции 2 Cu + O2 = 2CuO скорость реакции определяют по формуле:

ЗАДАЧА: Константа скорости реакции 2А + В = D равна 0,005. вычислить скорость реакции при молярной концентрации вещества А = 0,6 моль/л, вещества В = 0,8 моль/л.

Зависимость скорости химической реакции от температуры.

Эта зависимость определяется правилом Вант – Гоффа (1884г.): при увеличении температура на каждые 10 С о скорость химической реакции увеличивается в среднем в 2 – 4 раза.

Так, взаимодействие водорода (Н2) и кислорода (О2) при комнатной температуре почти не происходит, так мала скорость этой химической реакции. Но при температуре 500 С о эта реакция протекает за 50 минут, а при температуре 700 С о – почти мгновенно.

Формула расчёта скорости химической реакции по правилу Вант – Гоффа:

где: υ t1 и υ t2 — скорости химических реакций при t2 и t1

γ – температурный коэффициент, который показывает во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры на 10 С о .

Скорость химических реакций. Зависимость скорости реакции от температуры.

Скоростью гомогенной реакции – называется количество вещества, реагирующего в единице объёма за единицу времени, т.е. изменение концентрации одного из компонентов реагирующих веществ за единицу времени.

Скоростью гетерогенной реакции – называется количество веществ, реагирующего на единицу поверхности за единицу времени.

Скорость газовой реакции:

можно выразить как через скорость образования одного из продуктов реакции:

+ или + так и через скорость расходования какого-либо исходного вещества:

— или — . Согласно уравнению (1) каждые молей вещества А реагируют с молями вещества В, то в течении времени d расходуется dn молей вещества А, при этом вещество В расходуется в количестве:

Относя уравнение (2) к единице объёма и единице времени, получаем:

Аналогично можно получить соотношение между скоростью расходования вещества А и скоростью образования вещества М:

Следовательно, между изменениями концентраций реагирующих веществ существует следую -щая связь:

т.к. стехиометрические коэффициенты и являются постоянными величинами, то скорость реакции можно определить по скорости превращения любого из реагентов. Поэтому скорость сгорания топлива можно выразить через скорость расходования горючих элементов, скорость расхождения окислителя или скорость образования продуктов сгорания.

Константа скорости реакции k характеризует собой скорость химической реакции при данной температуре. Значит, для нахождения зависимости скорости химической реакции от температуры достаточно определить температурную зависимость k.

При изучении химических реакций было замечено, что если откладывать ln k как функцию обратной величины от абсолютной температуры, то опытные данные ложатся на прямой линии.

Поэтому была предложена зависимость константы скорости от температуры в виде:

или в дифференциальной форме:

и в экспоненциальной форме:

где: Е и k — эмпирические константы;

R= 8,321 кДж/моль К – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура.

5.2. Энергия активации, закон Аррениуса.

Реагировать способны не все молекулы, а лишь молекулы, находящиеся в данный момент в особом (богатом энергией) состоянии, которые были названы – “ активными молекулами.” Активные молекулы образуются эндотермически из нормальных молекул. Процесс, при котором изменяется энергия молекул без химического превращения, называется – активацией, а теплота, поглощаемая при образовании активных молекул, называется – теплотой активации. Между нормальными и активными молекулами существует равновесие. Константа этого равно- весия и является величиной, обладающей большим температурным коэффициентом.

Если теплота (энергия) образования активных молекул равна Е, то температурная зависимость константы равновесия

где: C — концентрация активных молекул;

С — концентрация нормальных молекул будет.

Концентрация нормальных молекул будет определяться:

Предполагается, что концентрация активных молекул очень мала по сравнению с концен -трацией нормальных молекул, поэтому концентрацию последних можно считать постоянной. Тогда получим:

т.к. константа скорости реакции k пропорциональна концентрации активных молекул, то:

Уравнение (1) — уравнение температурной зависимости константы скорости реакций.

Зависимость (1) представляет собой – закон Аррениуса: логарифм скорости реакции

как функция от изображается прямой линией. Угол наклона этой прямой определяет энергию активации.

Закону Аррениуса, имеющему энергетическое происхождение, было дано два объяснения:

1) Возьмём обратимую реакцию: А +В М+N. Константа равновесия, определяющая состо -яние смеси: К=

где: k — константа скорости прямой реакции,

k — константа скорости обратной реакции.

Тогда по уравнению (5) параграфа 5.1 имеем:

Но ln k = ln k — ln k и Q = E — E . Тогда

Таким образом, от уравнения температурной зависимости константы равновесия мы перешли к уравнению Аррениуса. Кроме этого, видно что тепловой эффект реакции равен разности между энергией активации продуктов реакции Е и энергией активации исходных веществ Е

Энергия активации представляет собой главный фактор, определяющий скорость реакции: чем меньше энергия активации, тем быстрее протекает реакция.

2) Для наступления реакции прежде всего необходимо столкновение реагирующих молекул. Однако число столкновений молекул при данных температуре и давление, вычисленное на основании кинетической теории, как показывают опыты в много миллионов раз больше числа молекул, вступающих в реакцию. Значит в реакцию вступают только активные молекулы. Из закона распределения Максвелла-Больцмана ( рис.1) видно, что в газе имеется небольшое количество молекул с очень большими, а также и очень малыми значениями скоростей. Для химической реакции представляют интерес только молекулы с очень большими скоростями, обладающие повышенной энергией. Число молекул, обладающих энергией, равной или больше

где: dN — число молекул, обладающих скоростями между W и W + Dw, согласно закону распределения:

где: N — общее число молекул. Подстановка уравнения (3) в уравнение (2) даёт:

Повышение температуры оказывает очень благоприятное действие на процесс активации: сильно увеличивается число молекул, обладающих большой энергией, тогда как общая энергия увеличивается в слабой степени, т.е. происходит перераспределение энергии. Отсюда ясно, что большой температурный коэффициент скорости реакции объясняется большим температурным коэффициентом активации. Возвращаясь к уравнению (6) параграфа 5.1, можно его упрощённо толковать так, что k — отвечает общему числу столкновений молекул между собой в единице объёма за единицу времени, Е — минимальной величине энергии сталкивающихся молекул, обеспечивающей эффективность, а k — прореагировавших молекул.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: