Теоретический материал по теме: Скорость химических реакций.

Скорость химических реакций.

1. Понятие о скорости химических реакций

Химические реакции протекают с различными скоростями. Одни реакции протекают быстро. Так, практически мгновенно происходят реакции ионного обмена. Другие протекают медлен­но, часами, как, например, разложение пищевых продуктов (бел­ки, жиры, углеводы) при пищеварении; месяцами — коррозия (ржавление) железа. А химическое превращение горных пород (гранита в глину) протекает в течение тысячелетий.

Количественной характеристикой быстроты течения химиче­ской реакции является ее скорость, которую обозначают латинской буквой V.

Скорость химической реакции можно определять:

1. По изменению концентрации одного из исходных веществ в единицу времени. Концентрацию вещества обозначают латинс­кой буквой С и выражают числом молей в 1 л, т. е. моль/л. Время обозначают греческой буквой т (тау) и выражают, как правило, в секундах.

Допустим, что в закрытом сосуде протекает реакция А + В = D + Е

Концентрация вещества А в первоначальный момент времени составляла С₁, а в момент времени т₂ — С₂. Тогда скорость реак­ции будет равна:

С₂(А) - С₁(А) С(А)

v = - ----------------- = - ---------

т₂ - т₁ т

где v — скорость реакции, выраженная в моль/(л • с);

С = С₂ — С₁ — изменение концентрации вещества А за про­межуток времени т;

т = т₂ – т₁ — промежуток времени, в течение которого изме­няется концентрация вещества.

По мере протекания реакции концентрация исходного вещест­ва уменьшается, а так как скорость реакции всегда положитель­на, то в выражении скорости стоит знак «минус».

2. По изменению концентрации продукта реакции в единицу времени:

C₂(D) – C₁(D) С(D)

v = + ----------------- = + -----

т₂ — т₁ т

В процессе реакции концентрация продуктов реакции увели­чивается, поэтому в правой части уравнения стоит знак «плюс».

Таким образом, скорость реакции определяется изменением концентрации вступившего в реакцию или образовавшегося веще­ства в единицу времени. Скорость

реакции в течение времени меня­ется, поэтому рассчитывают среднее значение скорости реакции.

2. Факторы, влияющие на скорость химических реакций.

1.Природа реагирующих веществ. Вы знаете, что скорость взаимодействия одной и той же кислоты с металлами обусловлена природой металла. В свою очередь, скорость взаимо­действия одного и того же металла с кислотами обусловлена при­родой кислоты. Проведем опыт. Опустим в две пробирки по од­ной грануле цинка и прильем в первую 2 см³ соляной кислоты, а во вторую — 2 см³ уксусной кислоты. Мы увидим, что вытесне­ние водорода цинком из раствора соляной кислоты происходит значительно быстрее, чем из раствора уксусной кислоты, так как НС1 — сильная кислота, а СН₃СООН — слабая кислота.

Реакции между сильными электролитами в растворах протека­ют практически мгновенно. Например:

KBr + AgN0₃ = AgBr + KN0₃ Ag⁺ + Br^- = AgBr

Это обусловлено тем, что вещества с ионными и полярными ко­валентными связями в растворах образуют разноименно заряжен­ные ионы, которые легко взаимодействуют друг с другом.

Скорость реакций с участием веществ с неполярными и мало­полярными ковалентными связями определяется их химической активностью. Так, водород с фтором реагирует очень быстро (со взрывом) уже при обычных условиях, а с бромом — медленно да­же при нагревании:

Н₂ + F₂ = 2HF (реакция протекает быстро)

Н₂ + Вг₂ = 2НВг (реакция протекает медленно)

Вывод: реакционная активность веществ определяется харак­тером химической связи в соединениях и их строением. Наиболее активны вещества с ионными и полярными ковалентными связями.

2. Концентрация реагирующих веществ.

Гомогенные реакции. Чтобы произошло взаимодействие, ча­стицы (атомы, молекулы, ионы) реагирующих веществ должны столкнуться друг с другом. Чем больше частиц при данной темпе­ратуре в единице объема, тем чаще они сталкиваются.

Вывод: с повышением концентрации реагирующих веществ происходит увеличение скорости реакции.

Гетерогенные реакции. Если реакция гетерогенная, то взаи­модействие частиц происходит лишь на поверхности твердого ве­щества, поэтому концентрация его не влияет на скорость реакции.

Например, скорость реакции восстановления ионов меди (II)

CuO + Н₂ = Сu + Н₂О определяется только концентрацией водорода.

3. Степень измельчения твердого вещества является одним из факторов, который определяет скорость ге­терогенной реакции, т.е. величина площади поверхности соприкосновения твердого вещества. Чем больше поверхность соприкосновения, тем больше ско­рость реакции. Например, куски угля горят медленно, постепенно окисляясь кислородом воздуха, а угольная пыль, взвешенная в воздухе, может давать взрыв.

Вывод: скорость гетерогенной реакции не зависит от концентрации твердого вещества.

4.Влияние температуры. С повышением темпера­туры скорость химических реакций, как правило, возрастает, так как при нагревании реагирующие частицы становятся более ак­тивными и способными к взаимодействию. Так, в две пробирки внесем одинаковые порции оксида меди (II) (порошок черного цвета) и прильем при перемешивании по 3 см³ серной кислоты. Одну из пробирок будем нагревать. Отметим, что в нагреваемой пробирке оксид меди (II) растворяется более интенсивно и рас­твор приобретает голубой цвет, обусловленный образованием гид­ратированных ионов меди (II):

CuO + H₂S0₄ = CuS0₄ + Н₂0 (реакция протекает медленно)

CuO + H₂S0₄ = CuS0₄ + Н₂0 (реакция протекает быстро)

СuО + 2Н⁺ = Сu²⁺ + Н₂0

Установлено, что при повышении температуры на каждые десять градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2—4 раза.

Например, если принять, что скорость некоторой реакции при О °С рав­на единице, а ее скорость при повышении температуры на каждые 10 °С увеличивается в 2 раза, то при нагревании до 100 °С ее скорость возрас­тает в 2¹⁰ (1024) раза.

5.Влияние катализаторов. Большое влияние на ско­рость химической реакции оказывают добавки некоторых веществ к реагирующей смеси. Одни из них увеличивают скорость реакции. Например, в роли ускорителя очень часто выступает вода. Если поместить в тигель или фарфоровую чашку не­много смеси порошкообразного алюминия с предварительно растертым в порошок йодом и тщательно перемешать стеклянной палоч­кой, видимых изменений мы не наблюдаем. Однако достаточно к этой смеси добавить одну каплю воды, проис­ходит вспышка — результат бурного взаимо­действия иода с алюминием:

н₂о

2А1 + 3I₂ == 2Аl I₃

Ускорителем реакции разложения пероксида водорода Н₂0₂ является оксид марганца (IV). Нальем в пробирку немного 5%-го раствора пероксида водорода и внесем тлеющую лучинку — она не загорается, потому что реакция разложения пероксида водоро­да при обычных условиях протекает очень медленно. Если же в пробирку внести несколько крупинок оксида марганца (IV), то начинается бурное выделение пузырьков газа (жидкость как бы кипит), а тлеющая лучинка, внесенная в пробирку, загорается яр­ким пламенем:

МпО₂

2Н₂0₂ == 2Н₂0 + 0₂|

Когда реакция разложения пероксида водорода закончится и в пробирке останется только вода, то фильтрованием отделим оксид марганца (IV) от воды и убедимся, что на фильтре остается столько же Мп0₂, сколько его было взято. Оставшийся после реакции оксид марганца (IV) можно использовать вновь.

Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются, называют катализаторами.

Но имеется целый ряд веществ, которые понижают скорость химической реакции (ингибиторы). Вещества, которые замедляют скорость реакции, называют ингибиторами.

Химические реакции, которые протекают в присутствии ка­тализаторов, называют каталитическими.

Большую часть продукции, вырабатываемой химической про­мышленностью, получают на основе использования катализаторов. Это процессы производства серной и азотной кислот, синтетического каучука, пластмасс, лекарственных препаратов, получения из твердого угля жидкого топлива, переработки нефти, природного газа и многие другие.