Скорость химических реакций

ФАКТОРЫ ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ

ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

Содержание презентации

• Химическая кинетика
• Что даёт знание скорости химической реакции
• Классификация реакций по фазовому составу
• Средняя скорость гомогенной реакции
• Скорость гетерогенной реакции
• Факторы, влияющие на скорость химической реакции

• Природа реагирующих веществ Концентрация Температура Катализатор, ингибитор, промотор Давление Площадь соприкосновения
• Природа реагирующих веществ
• Концентрация
• Температура
• Катализатор, ингибитор, промотор
• Давление
• Площадь соприкосновения
• Задачи
• Тест
• Литература

Химическая кинетика

- это раздел химии, который изучает скорости химических реакций, их зависимость от различных факторов

Быстрые химические процессы : взрывы, ионные реакции в растворах, передача нервного импульса

Медленные химические процессы : коррозия, фотосинтез, биосинтез белка.

Белки обновляются наполовину за 70 суток

Неорганическая основа костных тканей за 4-7 лет

Что даёт знание

скорости химической реакции

Знание скорости химической реакции имеет большое практическое значение

• позволяет замедлять или ускорять процессы, сопровождающие нас в повседневной жизни: коррозия металлов, хранение продуктов питания и т. д.
• При производстве любого вещества от скорости реакции зависят:

• Размеры аппаратуры Количество вырабатываемого продукта
• Размеры аппаратуры Количество вырабатываемого продукта
• Размеры аппаратуры Количество вырабатываемого продукта
• Размеры аппаратуры
• Количество вырабатываемого продукта

Классификация реакций

по фазовому составу

Идут во всём объёме

Идут на поверхности

2СО (г) + О 2(г) = 2СО 2(г)

раздела фаз

CaCO 3(тв) ↔CaO (тв) + CO 2(г)

2HBr (г) ↔H 2(г) + Br 2(г)

CO 2(г) +С (тв) = 2СО (г)

NaOH (р) +HCl (р) =NaCl (р) +H 2 O (ж)

4H 2 O (ж) +3Fe (тв) ↔4H 2(г) +Fe 3 O 4(тв)

F (тв) + S (тв) = FeS (тв)

Средняя скорость гомогенной реакции

- определяется изменением количества вещества за единицу времени в единице объёма

Отношение количества вещества к объёму – молярная концентрация.

Скорость гомогенной реакции определяется изменением концентрации одного из веществ в единицу времени

« + » - если скорость определяется по продукту реакции; « - » - если по исходному веществу

Средняя скорость гетерогенной реакции

- определяется изменением количества вещества, вступившего в реакцию или образовавшегося в результате реакции за единицу времени на единице поверхности

S – площадь поверхности

Взаимодействие происходит только на поверхности раздела между веществами

Факторы, влияющие

на скорость химической реакции

Реакция происходит при столкновении молекул реагирующих веществ, её скорость определяется количеством столкновений и их силой (энергией)

Природа реагирующих веществ

Площадь соприкосновения

Катализатор, ингибитор

Концентрация

Давление

Температура

υ (Zn + CH 3 COOH = H 2 + Zn(CH3COO) 2 их строением скорость больше у металлов, которые легче отдают электроны (с большим радиусом атома) скорость больше у неметаллов, которые легче принимают электроны (с меньшим радиусом атома) скорость больше у металлов, которые легче отдают электроны (с большим радиусом атома) скорость больше у неметаллов, которые легче принимают электроны (с меньшим радиусом атома) υ (2K + 2 H 2 O = H 2 + 2KOH) υ (2Na + 2 H 2 O = H 2 + 2NaOH) " width="640"

Природа реагирующих веществ

Реакционная активность веществ определяется:

• характером химических связей

• скорость больше у веществ с ионной и ковалентной полярной связью (неорганические вещества) скорость меньше у веществ с ковалентной малополярной и неполярной связью (органические вещества)
• скорость больше у веществ с ионной и ковалентной полярной связью (неорганические вещества)
• скорость меньше у веществ с ковалентной малополярной и неполярной связью (органические вещества)

υ (Zn + HCl = H 2 + ZnCl 2 ) υ (Zn + CH 3 COOH = H 2 + Zn(CH3COO) 2

• их строением

• скорость больше у металлов, которые легче отдают электроны (с большим радиусом атома) скорость больше у неметаллов, которые легче принимают электроны (с меньшим радиусом атома)
• скорость больше у металлов, которые легче отдают электроны (с большим радиусом атома)
• скорость больше у неметаллов, которые легче принимают электроны (с меньшим радиусом атома)

υ (2K + 2 H 2 O = H 2 + 2KOH) υ (2Na + 2 H 2 O = H 2 + 2NaOH)

Концентрация

Для взаимодействия веществ их молекулы должны столкнуться. Число столкновений пропорционально числу частиц реагирующих веществ в единице объёма, т.е. их молярным концентрациям.

Закон действующих масс :

Скорость элементарной химической реакции пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, возведённых в степени равные их коэффициентам:

1867 г. К.Гульдберг и П.Вааге сформулировали закон действующих масс

a A + b B  d D + f F

v = k · c ( A ) a · c ( B ) b

k - константа скорости реакции

(v = k при c (A) = c (B) = 1 моль/л)

Температура

Объяснение зависимости скорости реакции от температуры было дано С.Аррениусом . К реакции приводит не каждое столкновение молекул реагентов, а только наиболее сильные столкновения. Лишь молекулы, обладающие избытком кинетической энергии, способны к химической реакции.

С.Аррениус рассчитал долю активных (т.е. приводящих к реакции) соударений реагирующих частиц , зависящую от температуры.

Сванте Аррениус

(1859-1927)

• молекула - энергетически выгодное образование
• химические вещества на энергетической диаграмме занимают положение в "ямках"
• для превращения этих веществ в другие, им надо сообщить энергию, достаточную для того, чтобы они выбрались из "ямки", перевалили через "барьер" ( энергию активации )

Энергия активации

Активация – процесс превращения неактивных частиц в активные для преодоления энергетического барьера

Энергия, которую надо сообщить частицам реагирующих веществ, чтобы превратить их в активные, называют энергией активации (Е а )

A 2 (г) + B 2 (г) = 2AB (г)

В газе при нормальных условиях каждая из молекул

испытывает 1010 столкновений в секунду.

Например, среднее время между двумя соударениями в Н 2 всего 5·10 -9 с .

Если бы все столкновения приводили к реакции,

то любая реакция между газами происходила бы мгновенно!

Температура повышает количество столкновений молекул. Правило Вант-Гоффа (сформулировано на основании экспериментального изучения реакций) В интервале температур от 0 °С до 100°С при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза:

Якоб Вант-Гофф

(1852-1911)

v = v 0 ·  ∆τ/10

• - температурный коэффициент Вант-Гоффа

Правило Вант-Гоффа не имеет силу закона . Лабораторная техника была несовершенна, поэтому:

• оказалось, что температурный коэффициент в значительном температурном интервале непостоянен
• невозможно было изучать как очень быстрые реакции (протекающие за миллисекунды), так и очень медленные (для которых требуются тысячи лет)
• реакции с участием больших молекул сложной формы (например, белков) не подчиняются правилу Вант-Гоффа

Катализаторы

• вещества, изменяющие скорость химической реакции за счёт изменения энергии активации, но сами при этом не расходующиеся. Процесс в присутствии катализатора – катализ . Реакция с катализатором – каталитическая .

Йенс Якоб Берцелиус

ввел термин « катализ »

в 1835 г.

Положительные катализаторы – ускоряют реакцию, уменьшая Е а

Отрицательные катализаторы (ингибиторы) – замедляют реакцию, увеличивая Е а

A + K = AK (1) AK + B = AB + K (2)

Суммарная реакция

A + B = AB

Но вместо энергетического барьера этой реакции преодолеваются более низкие барьеры реакций (1) и (2): E 1 и E 2

Вильгельм Оствальд

1909 г. – Нобелевская премия

«в признание работ по катализу»

Промоторы

- вещества повышающие активность катализаторов

• Синтез аммиака

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3

Катализатор - Fe , который в качестве промоторов

содержит оксид алюминия ( Al 2 O 3 ) и оксид калия ( K 2 O )

2. Взаимодействие угарного газа с водородом

СО + 3Н 2 ↔ СН 4 + Н 2 О

Катализатор – Ni , промотор церий Ce .

Давление

Давление сильно влияет на скорость реакций с участием газов , потому что оно непосредственно определяет их концентрации.

В уравнении Менделеева-Клапейрона:

pV = nRT

перенесем V в правую часть, , а RT - в левую учтем p/RT = n/V

учтём, что n/V = c

p /RT = c

Давление и молярная концентрация газа связаны прямо пропорционально .

Менделеев Дмитрий Иванович

(1834 - 1907 г.)

Клапейрон Бенуа Поль Эмиль

(1799 - 1864 г.)

Площадь соприкосновения

Скорость гетерогенной реакции прямо пропорциональна площади поверхности соприкосновения реагентов.

При измельчении и перемешивании увеличивается поверхность

соприкосновения реагирующих веществ, при этом возрастает скорость реакции

Скорость гетерогенной реакции зависит от: а) скорости подвода реагентов к границе раздела фаз; б) скорости реакции на поверхности раздела фаз, которая зависит от площади этой поверхности; в) скорости отвода продуктов реакции от границы раздела фаз.

Стадии (а) и (в) называются диффузионными , а стадия (б) – кинетической . Та стадия, которая протекает наиболее медленно, называется лимитирующей – именно она определяет скорость реакции в целом.

Задачи

1. Вычислите среднюю скорость химической реакции, если через 20 с от начала реакции концентрация веществ составляла 0,05 моль/л, а через 40 с – 0,04 моль/л.

Дано:

τ 1 = 20 c

τ 2 = 40 c

c 1 = 0,05 моль/л

с 2 = 0,04 моль/л

Найти: v

Расчёт ведём по исходному веществу,

значит перед формулой ставим знак «-»

υ = -∆с/∆τ

υ = -(с 2 -с 1 )/(τ 2 - τ 1 )

υ = -(0,04-0,05)/(40-20) = 0,0005 (моль/(л∙с))

Ответ: средняя скорость реакции 0,0005моль/(л∙с)

2. Как изменится скорость химической реакции 2СО + О 2 = 2СО 2 , если уменьшить объем газовой смеси в 2 раза?

Дано:

При уменьшении

объёма смеси в 2

раза концентрация

каждого вещества

возрасла в 2 раза

c 2 (смеси) /с 1(смеси) = 2

Найти: v 2 /v 1

2СО + О 2 = 2СО 2

1) Запишем выражение закона действующих

масс для исходной смеси и после сжатия

v 1 = k · c (СО) 2 · c (О 2 )

v 2 = k · c (2СО) 2 · c( 2О 2 ) =

= k · 4 c (СО) 2 · 2 c (О 2 ) =

= 8k · c (СО) 2 · c (О 2 )

2) Найдём отношение скоростей:

v 2 /v 1 = (8k · c (СО) 2 · c (О 2 ))/ ( k · c (СО) 2 · c (О 2 )) = 8

Ответ: скорость реакции возрастёт в 8 раз

3. Во сколько раз уменьшится скорость простой реакции А + 2В = С, когда прореагирует половина вещества А, по сравнению с начальной скоростью? Начальные концентрации: 1 моль/л вещества А и 3 моль/л вещества В.

1) Запишем закон действующих масс для данной

реакции:

v = k∙с(A)∙ с(B) 2

2) Найдём начальную скорость реакции:

v 1 = k · c (А) · c (В) 2 = k · 1 ∙ 9 = 9 k

3) Найдём новые концентрации веществ:

с 2 (А) = 0,5 ∙ с 1 (А) = 0,5 ∙ 1 = 0,5(моль/л)

с 2 (В) = 3 – 2 ∙ с 1 (А) = 3 – 0,5 ∙ 1 = 2(моль/л)

4) Найдём конечную скорость реакции:

v 2 = k · c 2 (А) · c 2 (В) 2 = k · 0,5 ∙ 4 = 2 k

5) Найдём отношение скоростей:

v 1 /v 2 = 9 k/ 2 k = 4,5

Ответ: скорость уменьшится в 4,5 раза.

Дано:

c 1 (А)= 1 моль/л

с 1 (В) = 3 моль/л

Найти: v 1 /v 2

4. Как изменится скорость реакции 2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3 , если давление системы увеличить в 5 раз?

Дано:

2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3

1) Запишем выражение закона действующих

Давление системы

увеличили в 5 раз

масс для исходной смеси и после сжатия

(только для газов)

c 2 (Cl 2 )/с 1 (Cl 2 ) = 5

Найти: v 2 /v 1

v 1 = k · c ( Cl 2 ) 3

v 2 = k · c (5 Cl 2 ) 3 = 125 ∙ k ∙ c ( Cl 2 ) 3

2) Найдём отношение скоростей:

v 2 /v 1 = 125 ∙ k ∙ c ( Cl 2 ) 3 / k · c ( Cl 2 ) 3 = 125

Ответ: скорость реакции возрастёт в 125 раз

5. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции при повышении температуры от 300° до 350 °С, если температурный коэффициент равен 2?

Дано:

τ 1 = 300°С

τ 2 = 350°С

γ = 2

Найти: v 2 /v 1

1) Запишем выражение зависимости скорости

реакции от температуры:

υ 2 = υ 1 ∙ γ ∆τ/10

2) Найдём отношение скоростей:

v 2 /v 1 = γ ∆τ/10 = 2 (350-300)/10 = 2 5 = 32

Ответ: скорость реакции возрастёт в 32 раза

6. Реакция при 50 °С протекает за 2 мин 15 с. За какое время закончится эта реакция при τ = 70 °C, если температурный коэффициент равен 3?

Дано:

1) Находим, во сколько раз возрастёт скорость

τ 1 = 50°С

реакции при повышении температуры с 50 ° С

до 70 ° С:

∆ t 1 = 2,25 мин

v τ2 /v τ1 = γ ∆t/10 = 3 (70-50)/10 = 3 2 = 9 (раз)

τ 2 = 70°С

γ = 3

2) Находим время, за которое закончится эта

реакция при температуре 70°С:

Найти: ∆ t 2

∆ t 2 = 2,25мин : 9 = 0,25мин (15с)

Ответ: реакция закончится за 15 секунд.

7. Скорость реакции при охлаждении от 80° до 60 °С уменьшилась в 4 раза. Найти температурный коэффициент скорости реакции.

Дано:

Найдём отношение скоростей реакций:

τ 1 = 80°С

v 2 /v 1 = γ ∆τ/10

τ 2 = 60°С

Составим и решим уравнение:

4 = γ (80°-60°)/10

v 1 /v 2 = 4

Найти: γ

4 = γ 2

γ = 2

Ответ: температурный коэффициент равен 2.

Тест

Задание №1

2)

1)

3)

4)

υ

υ

υ

υ

τ

τ

τ

τ

График, отражающий зависимость скорости

реакции оксида меди (II) и соляной кислоты от

температуры:

• 1
• 2
• 3
• 4

Задание №2

Какой из факторов не оказывает

влияния на скорость химической

реакции в растворах:

• концентрация веществ
• использование катализатора
• использование ингибитора
• объём реакционного сосуда

Задание №3

На скорость химической реакции между

раствором серной кислоты и железом не

оказывает влияния:

• концентрация кислоты
• измельчение железа
• температура реакционной смеси
• увеличение давления

Задание №4

Во сколько раз изменится скорость

элементарной реакции 2А + В = А 2 В, если

концентрацию вещества В уменьшить в 2

раза:

• увеличится в 4 раза
• уменьшится в 2 раза
• уменьшится в 4 раза
• увеличится в 2 раза

Задание №5

Как повлияет на скорость элементарной

реакции А + В = АВ увеличение

концентрации вещества А в 3 раза:

• скорость увеличится в 3 раза
• скорость уменьшится в 9 раз
• скорость уменьшится в 3 раза
• скорость не изменится

Задание №6

Быстрее при комнатной температуре

будет протекать реакция между 10%

раствором соляной кислоты и:

• цинком в гранулах
• большим куском цинка
• цинком, покрытым медью
• цинком в порошке

Задание №7

В течение одной минуты выделится

больше водорода, если для реакции

использовать:

• Zn (гранулы) и CH 3 COOH (10% раствор)
• Zn (порошок) и HCl (10% раствор)
• Zn (гранулы) и HCl (10% раствор)
• Zn (порошок) и CH 3 COOH (10% раствор)

Задание №8

При увеличении температуры от 10° до

30° С скорость реакции, температурный

коэффициент которой γ = 3:

• возрастёт в 3 раза
• возрастёт в 9 раз
• уменьшится в 3 раза
• уменьшится в 9 раз

Задание №9

Для уменьшения скорости химической

реакции необходимо:

• увеличить концентрацию реагирующих веществ
• ввести в систему катализатор
• повысить температуру
• понизить температуру

Задание №10

Скорость химической реакции между

медью и азотной кислотой зависит от:

• массы меди
• объёма кислоты
• концентрации кислоты
• объёма колбы

Литература:

• http://www.hemi.nsu.ru/ucheb214.htm
• http://www.chem.msu.su/rus/teaching/Kinetics-online/welcome.html
• О.С.Габриелян. Химия. 11 класс. Базовый уровень. Учебник для общеобразовательных учебных заведений, М., Дрофа, 2010
• И.И.Новошинский, Н.С.Новошинская. Химия. 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений, М., «ОНИКС 21 век»; «Мир и Образование», 2004
• О.С.Габриелян, Г.Г.Лысова, А.Г.Введенская. Настольная книга учителя химии. 11 класс. М., Дрофа. 2004
• К.К.Курмашева. Химия в таблицах и схемах. М., «Лист Нью». 2003
• Н.Б.Ковалевская. Химия в таблицах и схемах. М., «Издат-школа 2000». 1998
• П.А.Оржековский, Н.Н.Богданова, Е.Ю.Васюкова.Химия. Сборник заданий. М.»Эксмо», 2011
• Фотографии: http://www.google.ru/