Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Химическая реакция

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                     3

Скорость химической реакции                                                                                          4

Факторы, влияющие на скорость химической реакции                                                      5

Природа реагирующих веществ                                                                    5

Влияние концентраций реагирующих веществ                                                                 5

Поверхность соприкосновения реагирующих веществ                                                   6

Влияние температуры                                                                                                       6

Энергия активации                                                                                                                  7

Катализ                                                  9

Заключение                                                                                               12

Список использованной литературы                                                                       12

Введение

Вокруг нас постоянно происходят тысячи химических реакций. Горит костер и горит газ в конфорке газовой плиты, ржавеет железо, молоко превращается в творог, на фотопленке возникают изображения.

Известно, что одни химические реакции протекают за малые доли секунды, другие же за минуты, часы, дни. Некоторые протекают так быстро, что за ними не уследишь. Вот мы зажигаем спичку. Чирк! Воспламеняется от трения о коробку фосфор, входящий в состав спичечной головки, мгновенно появляется пламя. Химическая реакция заняла доли секунды. Дрова в костре тоже сгорают весьма быстро. А превращение древесины доисторических исполинских деревьев в каменный уголь длилось миллионы лет. Взрыв смеси кислорода с водородом происходит практически мгновенно, а превращение графита в алмаз в недрах Земли – очень медленная реакция. Из известных на сегодняшний день реакций самая быстрая протекает в 1040 раз быстрее, чем самая медленная. При этом нельзя ограничиваться чисто качественными реакциями, рассуждать о «быстрых» и «медленных» реакциях.

Знание скоростей химических реакций имеет очень большое практическое и научное значение. В химической промышленности от скорости химической реакции зависят размеры, производительность аппаратов, качество вырабатываемого продукта и в конечном итоге зарплата работников и себестоимость продукции.

Под методами регулирования скорости реакции рассмотрим факторы, влияющие на скорость химической реакции.

Скорость химической реакции

Со скоростью химических реакций связаны представления о превращении веществ. Учение о скоростях и механизмах химических реакций называется химической кинетикой.

Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они

приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями

реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул.

Под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени при неизменном объеме системы.

При этом безразлично, о каком из участвующих в реакции веществе идет речь: все они связаны между собой уравнением реакции, и по изменению концентрации одного из веществ можно судить о соответствующих изменениях концентраций всех остальных. Обычно концентрацию выражают в моль/л, а время - в секундах или минутах. Если, например, исходная концентрация одного из реагирующих веществ составляла 1 моль/л, а через 4 с от начала реакции она стала 0,6 моль/л, то средняя скорость реакции будет равна (1 - 0,6)/4 = 0,1 моль/(л∙с).

Рассмотрим в общем виде скорость реакции, протекающей по уравнению

А + В = С + D (I)

По мере расходования вещества А скорость реакции уменьшается . Отсюда следует, что скорость реакции может быть определена лишь для некоторого промежутка времени. Так как концентрация вещества А в момент времени t1 измеряется величиной с1, а в момент t2 - величиной c2, то за промежуток времени ∆t = t2 - t1 изменение концентрации вещества составит ∆с = с2 - с1, откуда определится средняя скорость реакции ( ):

Знак минус ставится потому, что, несмотря на убывание концентрации вещества А и, следовательно, на отрицательное значение разности с2 - с1, скорость реакции может быть только положительной величиной. Можно также следить за изменением концентрации одного из продуктов реакции - веществ С или D; она в ходе реакции будет возрастать, и потому в правой части уравнения нужно ставить знак плюс.

Поскольку скорость реакции все время изменяется, то в химической кинетике рассматривают только истинную скорость реакции v, т.е. скорость в данный момент времени.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий протекания реакции: концентрации с, температуры t , присутствия катализаторов, а также от некоторых других факторов (например, от давления - для газовых реакций, от измельчения - для твердых веществ, от радиоактивного облучения).

Природа реагирующих веществ

Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

Примеры: Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром

с водородом взаимодействует медленно и при нагревании. Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует.

Влияние концентраций реагирующих веществ.

Чтобы осуществлялось химическое взаимодействие веществ А и В, их молекулы (частицы) должны столкнуться. Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. Число же столкновений тем больше, чем выше концентрация реагирующих веществ. Отсюда на основе обширного экспериментального материала сформулирован основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ:

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для реакции ( I ) этот закон выразится уравнением

v = kcA cB , (1)

где сА и сВ - концентрации веществ А и В, моль/л; k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции.

Основной закон химической кинетики часто называют законом действующих масс.

Из уравнения (1) нетрудно установить физический смысл константы скорости k : она численно равна скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующих веществ составляют 1 моль/л или когда их произведение равно единице.

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от их концентраций.

Уравнение (1), связывающее скорость реакции с концентрацией реагирующих веществ, называется кинетическим уравнением реакции. Если опытным путем определено кинетическое уравнение реакции, то с его помощью можно вычислять скорости при других концентрациях тех же реагирующих веществ.

Поверхность соприкосновения реагирующих веществ.

Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения. Например, уголь для приготовления пороха растирают в порошок. Жидкость для реакции с газом распыляют в мельчайшие капельки: так, дизельное топливо (смесь углеводородов) впрыскивают в камеру, где оно встречается с воздухом, через специальное устройство, обеспечивающее распыление.

Влияние температуры.

При столкновении реагируют только те молекулы, которые обладают достаточной кинетической энергией. При повышении температуры доля активных молекул все возрастает. Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа:

При повышении температуры на каждые 10о скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.

Математически эта зависимость выражается соотношением

vt 2 = vt 1 γ ,

где vt 1 , vt 2 - скорости реакции соответственно при начальной ( t 1 ) и конечной ( t 2 ) температурах, а γ - температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10°.

Правило Вант-Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реакции. Температура влияет на скорость химической реакции, увеличивая константу скорости.

Энергия активации

Сильное изменение скорости реакции с изменением температуры объясняет теория активации. Согласно этой теории в химическое взаимодействие вступают только активные молекулы (частицы), обладающие энергией, достаточной для осуществления данной реакции. Неактивные частицы можно сделать активными, если сообщить им необходимую дополнительную энергию, - этот процесс называется активацией. Один из способов активации – увеличение температуры: при повышении температуры число активных частиц сильно возрастает, благодаря чему резко увеличивается скорость.

Энергия, которую надо сообщить молекулам (частицам) реагирующих веществ, чтобы превратить их в активные, называется энергией активации.

Ее определяют опытным путем, обозначают буквой Еa и обычно выражают в кДж/моль. Так, например, для соединения водорода и иода ( Н2 + I2 = 2НI) Еа = 167,4 кДж/моль, а для распада иодоводорода (2НI = Н2 + I2) Еа = 186,2 кДж/моль.

Энергия активации Еa зависит от природы реагирующих веществ и служит характеристикой каждой реакции. Эти представления поясняются рисунком:

На примере реакции в общем виде А2 + В2 = 2АВ. Ось ординат характеризует потенциальную энергию системы, ось абсцисс - ход реакции: исходное состояние → переходное состояние → конечное состояние. Чтобы реагирующие вещества А2 и В2 образовали продукт реакции АВ, они должны преодолеть энергетический барьер С. На это затрачивается энергия активации Еа, на значение которой возрастает энергия системы. При этом в ходе реакции из частиц реагирующих веществ образуется промежуточная неустойчивая группировка, называемая переходным состоянием или активированным комплексом (в точке С), последующий распад которого приводит к образованию

конечного продукта АВ. Механизм реакции можно изобразить схемой


исходные реагенты (начальное состояние системы)		активированный комплекс (переходное состояние)		продукты реакции (конечное состояние системы)

Если при распаде активированного комплекса выделяется больше энергии, чем это необходимо для активации частиц, то реакция экзотермическая. Примером эндотермической реакции служит обратный процесс – образование из вещества АВ веществ А2 и В2: 2АВ = А2 + В2. В этом случае процесс протекает также через образование активированного комплекса А2В2, однако энергия активации больше, чем для прямого процесса: Еа = Еа + ∆H (∆H - тепловой эффект реакции). Для протекания эндотермических реакций требуется подвод энергии извне.

Как видно из рисунка

разность энергии конечного состояния системы (Hкон) и начального (Hнач) равна тепловому эффекту реакции:

∆H = Hкон - Hнач.

Скорость реакции непосредственно зависит от значения энергии активации: если оно мало, то за определенное время протекания реакции энергетический барьер преодолеет большое число частиц и скорость реакции будет высокой, но если энергия активации велика, то реакция идет медленно.

При взаимодействии ионов энергия активации очень мала и ионные реакции протекают с очень большой скоростью (практически мгновенно).

Катализ

Явление ускорения химических реакций благодаря присутствию некоторых веществ носит название катализ.

Увеличить скорость реакции можно с помощью катализаторов. Применять катализаторы выгоднее, чем повышать температуру, тем более, что ее повышение

далеко не всегда возможно.

Катализаторами называются вещества, изменяющие скорость химических реакций.

Одни катализаторы сильно ускоряют реакцию - положительный катализ, или просто катализ, другие – замедляют отрицательный катализ. Примерами положительного катализа могут служить полученные серной кислотой, окисление аммиака в азотную кислоту с помощью платинового катализатора и др. Примерами отрицательного

катализа являются замедление взаимодействия раствора сульфита натрия с кислородом воздуха в присутствии этилового спирта или уменьшение скорости разложения пероксида водорода в присутствии небольших количеств серной кислоты (0,0001 мас.частей) и др.

Отрицательный катализ (замедление химической реакции) называют ингибированием, а отрицательные катализаторы, снижающие скорость реакции - ингибиторами

(механизм действия последних отличен от действия катализаторов)

Химические реакции, протекающие при участии катализаторов, называют каталитическими.

Каталитическое воздействие может быть оказано на большинство химических

реакций. Число катализаторов очень велико, а их каталитическая активность

весьма различна. Она определяется изменением скорости реакции, вызываемым

катализатором. Сам катализатор в реакциях не расходуется и в конечные продукты

не входит. Различают два вида катализа - гомогенный (однородный) и гетерогенный (неоднородный) катализ.

При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют однофазную систему – газовую или жидкую, между катализатором и реагирующими

веществами отсутствует поверхность раздела. Например, каталитическое разложение

пероксида водорода в присутствии раствора солей (жидкая фаза). Для гомогенного катализа установлено, что скорость химической реакции пропорциональна концентрации катализатора.

При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют

систему из разных фаз. В этом случае между катализатором и реагирующими

веществами существует поверхность раздела. Обычно катализатор -твердое вещество, а реагирующие вещества - газы или жидкости. Примерами могут

служить окисление аммиака (газообразная фаза) в присутствии платины (твердая фаза)

или разложение пероксида водорода (жидкая фаза) в присутствии угля или оксида

марганца (IV) (твердая фаза). Все реакции при гетерогенном катализе протекают на поверхности катализатора. Поэтому активность твердого катализатора зависит и от

свойств его поверхности (размера, химического состава, строения и состояния).

Действие положительных катализаторов сводится к уменьшению энергии активации

реакции, другими словами, - к снижению высоты энергетического барьера. При этом

образуется активированный комплекс с более низким уровнем энергии и скорость

реакции сильно возрастает. Механизм действия катализаторов обычно объясняют

образованием промежуточных соединений с одним из реагирующих веществ. Так,

если медленно протекающую реакцию А+В =АВ вести в присутствии катализатора К,

то катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение:

А + К = АК

Реакция протекает быстро, так как энергия активации этого процесса мала. Затем

промежуточное соединение АК взаимодействует с другим исходным веществом, при

этом катализатор высвобождается:

АК + В = АВ + К

Энергия активации этого процесса также мала, а потому реакция протекает с

Достаточной скоростью. Если теперь оба процесса, протекающие одновременно, суммировать, то получим окончательное уравнение быстро протекающей реакции:

А + В = АВ

Приведем конкретный пример - окисление SО2 в SО3 с участием катализатора NO:

SO2 + ½O2 = SO3

A + B = AB

Эта реакция протекает медленно. Но при введении катализатора образуется

промежуточное соединение:

NO + ½ O2 = NO2

K + B = KB

и далее

SO2 + NO2 = SO3 + NO

А + КВ = АВ + К

Поверхность катализатора неоднородна. На ней имеются так называемые активные центры, на которых главным образом и протекают каталитические реакции. Реагирующие вещества адсорбируются на этих центрах, в результате чего увеличивается концентрация их на поверхности катализатора. А это отчасти приводит

к ускорению реакции.

Но главной причиной возрастания скорости реакции является сильное повышение химической активности адсорбированных молекул. Под действием катализатора

у адсорбированных молекул ослабляются связи между атомами и они становятся

более реакционноспособными. И в этом случае реакция ускоряется благодаря

снижению энергии активации (в том числе за счет образования поверхностных

промежуточных соединений).

Заключение

Итак, в ходе этой работы мы определили, что скорость гомогенной реакции – это изменение молярной концентрации одного из участвующих в реакции веществ в единицу времени, а гетерогенной – это изменение количества вещества в единицу времени на единицу поверхности, и экспериментально рассказали, что на скорость реакции влияют следующие факторы: катализаторы, температура, концентрация, поверхность соприкосновения реагирующих веществ для гетерогенной реакции, природа реагирующих веществ.

Список используемой литературы

1. Аликберова Л. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. – М.: АСТ-ПРЕСС, 1999.

2. Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень: учеб, для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2007.

3. Чернышов В.Н., Егоров А.С. Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы. – Ростов-на-Дону: «Феникс», 1996. – с. 136–144