Закона действия масс в кинетическое уравнение можно записывать концентрации нерастворимых веществ (4 видео)

Химическая кинетика. Скорость химических реакций

Темы кодификатора ЕГЭ: Скорость реакции. Ее зависимость от разных факторов.

Скорость химической реакции показывает, как быстро происходит та или иная реакция. Взаимодействие происходит при столкновении частиц в пространстве. При этом реакция происходит не при каждом столкновении, а только когда частица обладают соответствующей энергией.

Скорость реакции – количество элементарных соударений взаимодействующих частиц, заканчивающихся химическим превращением, за единицу времени.

Определение скорости химической реакции связано с условиями ее проведения. Если реакция гомогенная – т.е. продукты и реагенты находятся в одной фазе – то скорость химической реакции определяется, как изменение концентрации вещества в единицу времени:

υ = ΔC / Δt

Если реагенты, или продукты находятся в разных фазах, и столкновение частиц происходит только на границе раздела фаз, то реакция называется гетерогенной, и скорость ее определяется изменением количества вещества в единицу времени на единицу реакционной поверхности:

υ = Δν / (S·Δt)

Содержание

Факторы, влияющие на скорость химической реакции
1. Температура
2. Концентрация
3. Давление
4. Катализатор
5. Площадь соприкосновения реагирующих веществ
6. Природа реагирующих веществ
Основной постулат химической кинетики (закон действия масс в химической кинетике)
Закон действия масс
💥 Видео

Видео:Влияние концентрации на скорость химических реакций. 10 класс.Скачать

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Видео:Задачи на скорость реакции в зависимости от концентрации реагентовСкачать

1. Температура

Самый простой способ изменить скорость реакции – изменить температуру . Как вам, должно быть, известно из курса физики, температура – это мера средней кинетической энергии движения частиц вещества. Если мы повышаем температуру, то частицы любого вещества начинают двигаться быстрее, а следовательно, сталкиваться чаще.

Однако при повышении температуры скорость химических реакций увеличивается в основном благодаря тому, что увеличивается число эффективных соударений. При повышении температуры резко увеличивается число активных частиц, которые могут преодолеть энергетический барьер реакции. Если понижаем температуру – частицы начинают двигаться медленнее, число активных частиц уменьшается, и количество эффективных соударений в секунду уменьшается. Таким образом, при повышении температуры скорость химической реакции повышается, а при понижении температуры — уменьшается .

Обратите внимание! Это правило работает одинаково для всех химических реакций (в том числе для экзотермических и эндотермических). Скорость реакции не зависит от теплового эффекта. Скорость экзотермических реакций при повышении температуры возрастает, а при понижении температуры – уменьшается. Скорость эндотермических реакций также возрастает при повышении температуры, и уменьшается при понижении температуры.

Более того, еще в XIX веке голландский физик Вант-Гофф экспериментально установил, что скорость большинства реакций примерно одинаково изменяется (примерно в 2-4 раза) при изменении температуры на 10 о С.

Правило Вант-Гоффа звучит так: повышение температуры на 10 о С приводит к увеличению скорости химической реакции в 2-4 раза (эту величину называют температурный коэффициент скорости химической реакции γ).

Точное значение температурного коэффициента определяется для каждой реакции.

здесь v₂ — скорость реакции при температуре T₂,

v₁ — скорость реакции при температуре T₁,

γ — температурный коэффициент скорости реакции, коэффициент Вант-Гоффа.

В некоторых ситуациях повысить скорость реакции с помощью температуры не всегда удается, т.к. некоторые вещества разлагаются при повышении температуры, некоторые вещества или растворители испаряются при повышенной температуре, т.е. нарушаются условия проведения процесса.

Видео:Скорость химических реакций. 9 класс.Скачать

2. Концентрация

Также изменить число эффективных соударений можно, изменив концентрацию реагирующих веществ . Понятие концентрации, как правило, используется для газов и жидкостей, т.к. в газах и жидкостях частицы быстро двигаются и активно перемешиваются. Чем больше концентрация реагирующих веществ (жидкостей, газов), тем больше число эффективных соударений, и тем выше скорость химической реакции.

На основании большого числа экспериментов в 1867 году в работах норвежских ученых П. Гульденберга и П. Вааге и, независимо от них, в 1865 году русским ученым Н.И. Бекетовым был выведен основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ:

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их коэффициентам в уравнении химической реакции.

Для химической реакции вида: aA + bB = cC + dD закон действующих масс записывается так:

здесь v — скорость химической реакции,

C_A и C_B — концентрации веществ А и В, соответственно, моль/л

k – коэффициент пропорциональности, константа скорости реакции.

Например , для реакции образования аммиака:

закон действующих масс выглядит так:

Константа скорости реакции k показывает, с какой скоростью будут реагировать вещества, если их концентрации равны 1 моль/л, или их произведение равно 1. Константа скорости химической реакции зависит от температуры и не зависит от концентрации реагирующих веществ.

В законе действующих масс не учитываются концентрации твердых веществ, т.к. они реагируют, как правило, на поверхности, и количество реагирующих частиц на единицу поверхности при этом не меняется.

В большинстве случаев химическая реакция состоит из нескольких простых этапов, в таком случае уравнение химической реакции показывает лишь суммарное или итоговое уравнение происходящих процессов. При этом скорость химической реакции сложным образом зависит (или не зависит) от концентрации реагирующих веществ, полупродуктов или катализатора, поэтому точная форма кинетического уравнения определяется экспериментально, или на основании анализа предполагаемого механизма реакции. Как правило, скорость сложной химической реакции определяется скоростью его самого медленного этапа (лимитирующей стадии).

Видео:Химическое равновесие. Закон действующих масс.Скачать

3. Давление

Концентрация газов напрямую зависит от давления . При повышении давления повышается концентрация газов. Математическое выражение этой зависимости (для идеального газа) — уравнение Менделеева-Клапейрона:

pV = νRT

Таким образом, если среди реагентов есть газообразное вещество, то при повышении давления скорость химической реакции увеличивается, при понижении давления — уменьшается .

Например. Как изменится скорость реакции сплавления извести с оксидом кремния:

при повышении давления?

Правильным ответом будет – никак, т.к. среди реагентов нет газов, а карбонат кальция – твердая соль, нерастворимая в воде, оксид кремния – твердое вещество. Газом будет продукт – углекислый газ. Но продукты не влияют на скорость прямой реакции.

Видео:ch0502 Закон действующих масс для химического равновесияСкачать

4. Катализатор

Еще один способ увеличить скорость химической реакции – направить ее по другому пути, заменив прямое взаимодействие, например, веществ А и В серией последовательных реакций с третьим веществом К, которые требуют гораздо меньших затрат энергии (имеют более низкий активационный энергетический барьер) и протекают при данных условиях быстрее, чем прямая реакция. Это третье вещество называют катализатором .

Катализаторы – это химические вещества, участвующие в химической реакции, изменяющие ее скорость и направление, но не расходующиеся в ходе реакции (по окончании реакции не изменяющиеся ни по количеству, ни по составу). Примерный механизм работы катализатора для реакции вида А + В можно представить так:

A + K = AK

AK + B = AB + K

Процесс изменения скорости реакции при взаимодействии с катализатором называют катализом. Катализаторы широко применяют в промышленности, когда необходимо увеличить скорость реакции, либо направить ее по определенному пути.

По фазовому состоянию катализатора различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенный катализ – это когда реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе (газ, раствор). Типичные гомогенные катализаторы – кислоты и основания. органические амины и др.

Гетерогенный катализ – это когда реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах. Как правило, гетерогенные катализаторы – твердые вещества. Т.к. взаимодействие в таких катализаторах идет только на поверхности вещества, важным требованием для катализаторов является большая площадь поверхности. Гетерогенные катализаторы отличает высокая пористость, которая увеличивает площадь поверхности катализатора. Так, суммарная площадь поверхности некоторых катализаторов иногда достигает 500 квадратных метров на 1 г катализатора. Большая площадь и пористость обеспечивают эффективное взаимодействие с реагентами. К гетерогенным катализаторам относятся металлы, цеолиты — кристаллические минералы группы алюмосиликатов (соединений кремния и алюминия), и другие.

Пример гетерогенного катализа – синтез аммиака:

В качестве катализатора используется пористое железо с примесями Al₂O₃ и K₂O.

Сам катализатор не расходуется в ходе химической реакции, но на поверхности катализатора накапливаются другие вещества, связывающие активные центры катализатора и блокирующие его работу (каталитические яды). Их необходимо регулярно удалять, путем регенерации катализатора.

В биохимических реакция очень эффективными оказываются катализаторы – ферменты. Ферментативные катализаторы действуют эффективно и избирательно, с избирательностью 100%. К сожалению, ферменты очень чувствительны к повышению температуры, кислотности среды и другим факторам, поэтому есть ряд ограничений для реализации в промышленных масштабах процессов с ферментативным катализом.

Катализаторы не стоит путать с инициаторами процесса и ингибиторами.

Например , для инициирования радикальной реакции хлорирования метана необходимо облучение ультрафиолетом. Это не катализатор. Некоторые радикальные реакции инициируются пероксидными радикалами. Это также не катализаторы.

Ингибиторы – это вещества, которые замедляют химическую реакцию. Ингибиторы могут расходоваться и участвовать в химической реакции. При этом ингибиторы не являются катализаторами наоборот. Обратный катализ в принципе невозможен – реакция в любом случае будет пытаться идти по наиболее быстрому пути.

Видео:Химическая кинетика. Скорость химической реакции | ХимияСкачать

5. Площадь соприкосновения реагирующих веществ

Для гетерогенных реакций одним из способов увеличить число эффективных соударений является увеличение площади реакционной поверхности . Чем больше площадь поверхности контакта реагирующих фаз, тем больше скорость гетерогенной химической реакции. Порошковый цинк гораздо быстрее растворяется в кислоте, чем гранулированный цинк такой же массы.

В промышленности для увеличения площади контактирующей поверхности реагирующих веществ используют метод «кипящего слоя».

Например , при производстве серной кислоты методом «кипящего слоя» производят обжиг колчедана.

Видео:Урок №2. Закон действующих масс. Кинетическое уравнение скорости химической реакции Beyond ChemistryСкачать

6. Природа реагирующих веществ

На скорость химических реакций при прочих равных условиях также оказывают влияние химические свойства, т.е. природа реагирующих веществ.

Менее активные вещества будут имеют более высокий активационный барьер, и вступают в реакции медленнее, чем более активные вещества.

Более активные вещества имеют более низкую энергию активации, и значительно легче и чаще вступают в химические реакции.

Более стабильные вещества — это, например, те вещества, которые окружают нас в быту, либо существуют в природе.

Например , хлорид натрия NaCl (поваренная соль), или воды H₂O, или металлическое железо Fe.

Более активные вещества мы можем встретить в быту и природе сравнительно редко.

Например , оксид натрия Na₂O или сам натрий Na в быту и в природе не не встречаем, т.к. они активно реагируют с водой.

При небольших значениях энергии активации (менее 40 кДж/моль) реакция проходит очень быстро и легко. Значительная часть столкновений между частицами заканчивается химическим превращением. Например, реакции ионного обмена происходят при обычных условиях очень быстро.

При высоких значениях энергии активации (более 120 кДж/моль) лишь незначительное число столкновений заканчивается химическим превращением. Скорость таких реакций пренебрежимо мала. Например, азот с кислородом практически не взаимодействует при нормальных условиях.

При средних значениях энергии активации (от 40 до 120 кДж/моль) скорость реакции будет средней. Такие реакции также идут при обычных условиях, но не очень быстро, так, что их можно наблюдать невооруженным глазом. К таким реакциям относятся взаимодействие натрия с водой, взаимодействие железа с соляной кислотой и др.

Вещества, стабильные при нормальных условиях, как правило, имеют высокие значения энергии активации.

Видео:Химия, 12-й класс, Скорость химических реакций. Закон действующих массСкачать

Основной постулат химической кинетики (закон действия масс в химической кинетике)

Рассмотрим простейшую реакцию между двумя молекулами веществ А и В, протекающую согласно уравнению:

в объеме системы V (рис. 15.4, а).

Продукт реакции АВ образуется лишь только после столкновения исходных молекул А и В, что определяется вероятностью столкновения этих молекул за определенный промежуток времени. Следовательно, скорость реакции будет пропорциональна вероятности столкновения молекул А и В. Если же в этом объеме увеличить количество молекул, например, компонента А в два раза, т.е. увеличить концентрацию молекул А в два раза (рис. 15.4, б), то, соответственно, увеличится и частота столкновений молекул А с молекулой В во столько же раз. Значит, и скорость реакции возрастет в два раза.

Рис. 15.4. Реакционный объем для:

а — двух молекул, б — трех молекул, в — четырех молекул

Теперь еще увеличим и концентрацию вещества В (число молекул в том же самом объеме) в два раза (рис. 15.4, в), при этом вероятность столкновения молекул А и В увеличиться в 4 раза. Соответственно, возрастет и скорость реакции в 4 раза. Следовательно, скорость образования вещества АВ будет пропорциональна концентрациям веществ А и В.

Если концентрацию компонента А изменить в m раз и концентрацию компонента В в п раз, то число столкновений (их вероятность) изменится в m • п раз. Во столько же раз измениться и скорость реакции

Чтобы заменить символ пропорциональности «

» в этих выражениях знаком равенства для составления уравнений скорости реакции, введем коэффициент пропорциональности “k«. Тогда для простой реакции, когда участвуют только молекулы двух веществ А и В, уравнение запишется в виде следующего выражения:

а для реакций более общего вида типа

уравнение отобразится таким образом:

(15.3)

Это и есть аналитическое выражение зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Закон установлен в 1867 г. норвежскими учеными Като Максимилианом Гульдбергом и Истером Вааге. Он известен под названием закона действующих масс, который читается так: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции при условиях постоянства всех остальных факторов (температуры, состава).

Для сложных процессов, протекающих в несколько стадий, этот закон применим только к отдельным, элементарным (простым) стадиям процесса.

В качестве примера приложения закона действующих масс приведем зависимость скорости простой реакции восстановления оксида азота водородом, протекающей согласно уравнению

в виде выражения:

Для гетерогенных реакций, у которых принято относить скорость реакции к единице поверхности контакта фаз, закон действующих масс будет записываться с учетом концентрации только того из реагирующих средств (газообразного для системы: «газ — твердое», «газ — жидкость», и жидкого для системы «твердое — жидкость»), которым определяется скорость реакции. Например, для реакции горения угля

скорость реакции при заданных условиях (температура, состав) будет зависеть лишь от концентрации кислорода, и не будет зависеть от объемной концентрации угля, так как скорость взаимодействия относят к единице поверхности раздела фаз (рис. 15.5, а). Поэтому выражение закона действующих масс для этой реакции записывается так:

без учета концентрации угля.

Скорость гетерогенной реакции взаимодействия диоксида углерода с водой (рис. 15.5, б)

определяется лишь концентрацией диоксида углерода, что и отражается в выражении закона действующих масс для этой реакции:

В выражении закона действующих масс для реакции взаимодействия цинка с раствором соляной кислоты (рис. 15.5, в)

будет фигурировать лишь концентрация соляной кислоты:

Физический смысл коэффициента пропорциональности «к« в выражении закона действующих масс становится ясным, если принять концентрации реагирующих веществ (или их произведение) равными единице.

Рис. 15.5. К понятию скорости гетерогенной реакции и применимости закона действующих масс:

а — взаимодействие угля с кислородом, б — взаимодействие С0₂ с водой, в — взаимодействие раствора НС1 с цинком

Так, для формальной реакции, описываемой уравнением

скорость реакции равна

Если концентрации реагирующих веществ А и В равны 1 моль/л С_л = = С_в= 1 моль/л, то скорость реакции окажется равной коэффициенту пропорциональности к:

Коэффициент пропорциональности к в выражении закона действующих масс называют константой скорости. Численное значение константы скорости реакции равно количеству вещества, прореагировавшего за единицу времени при концентрации исходных веществ, равных единице (например, 1 моль/л).

Следовательно, константа скорости — это удельная скорость химической реакции, отнесенная к единичным концентрациям реагирующих веществ, а для гетерогенных реакций — и к единичной поверхности раздела фаз (к 1 см 2 или 1 м 2 ).

Константа скорости химической реакции показывает, какая доля из общего числа соударений молекул веществ А и В приводит к химическому взаимодействию. Если реакция осуществляется в результате столкновения молекулы А с молекулой В, то число столкновений, а следовательно, и скорость реакции будет пропорциональна концентрациям

веществ А и В. Если для химического превращения необходимо, чтобы одновременно сталкивались по две или по три одинаковых молекулы, то скорость реакции будет пропорциональна квадрату или соответственно кубу концентраций этого вещества.

Константа скорости реакции зависит от температуры, присутствия катализатора, по строго индивидуальна для каждой реакции, т.е. зависит и от природы взаимодействующих веществ.

Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ (15.3) определяется экспериментально и называется кинетическим уравнением химической реакции. Очевидно, для того, чтобы записать кинетическое уравнение, необходимо экспериментально определить величину константы скорости и показателей степени при концентрациях реагирующих веществ. Показатели степени хну при концентрации каждого из реагирующих веществ в кинетическом уравнении химической реакции (15.3) есть частный порядок реакции по компонентам А и В соответственно. Сумма показателей степени в кинетическом уравнении химической реакции (15.3) представляет собой общий порядок реакции — п:

Следует подчеркнуть, что порядок реакции определяется из экспериментальных данных и не связан в общем случае со стехиометрическими коэффициентами реагирующих веществ в уравнении реакции.

Вместе с тем, для элементарных реакций (т.е. реакций, идущих в одну стадию) показатели степени в кинетическом уравнении часто совпадают со стехиометрическими коэффициентами реагирующих веществ:

(15.4)

В химической кинетике принято классифицировать реакции по величине общего порядка реакции. Рассмотрим кинетические уравнения различных порядков.

Видео:Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции. Опыт 1Скачать

Закон действия масс

Взаимодействие молекул возможно только в момент их столкновения. Вероятность столкновения зависит от количества молекул в единице объёма, т.е. от концентрации веществ.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ определяется основным законом химической кинетики — законом действующих масс Гульдберга-Вааге:

при постоянной температуре скорость одностадийной химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Для реакции общего вида

математическое выражение закона действующих масс имеет следующий вид:

V = k • C_A a • C_B b или V = k • [А] a • [В] b , (4)

где CA и CB — молярные концентрации веществ А и В;

[А] и [В] — молярные концентрации взаимодействующих частиц;

а и b — стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции;

k — константа скорости реакции.

Чаще всего реакции протекают в несколько стадий. В этом случае скорость химической реакции нужно определять скоростью самой медленной (лимитирующей) стадии.

Коэффициент пропорциональности k (константа скорости реакции) при постоянной температуре есть величина постоянная. Константа скорости численно определяется как скорость реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ, т.е. может быть определена как удельная скорость. Константа скорости реакции зависит от химической природы реагирующих веществ, температуры и некоторых других факторов, но не зависит от концентрации реагирующих веществ. Т.е. константа скорости химической реакции характеризует скорость реакции при данной температуре и является мерой реакционной способности веществ.

Если в реакции участвуют газообразные вещества, то концентрации таких веществ заменяют на их парциальное давление. Математическое выражение закона действия масс для реакции С + О₂ = СО₂ будет иметь следующий вид:

V = k • р (О₂),

где р (О2) — парциальное давление кислорода.

Поэтому, в системах с участием газообразных веществ, скорость химической реакции зависит от давления.

Например, если при взаимодействии водорода с парами йода по уравнению

увеличить давление в 3 раза, то объем системы уменьшится во столько же раз, и, следовательно, во столько же раз возрастет концентрация каждого из реагирующих газообразных веществ. Скорость реакции при этих условиях, согласно закону действия масс, возрастет в 9 раз.

Определить, как изменится скорость реакции

если концентрацию вещества A увеличить в два раза, а концентрацию вещества B увеличить в три раза.

Решение:

Согласно закону действующих масс:

При изменении концентраций реагирующих веществ по условию задачи, выражение для скорости реакции записываем так:

V ‘ = k • (2[A]) • (3[B]) 2 =18 k [A] • [B] 2 .

Если сравнить выражения для скоростей реакции до и после изменения концентраций веществ, можно увидеть, что скорость увеличилась в 18 раз:

Таким образом, закон действия масс позволяет определять, как изменяются скорости реакций при изменении концентраций реагирующих веществ.

Для гетерогенных процессов, которые протекают только на поверхности раздела фаз, имеет значение площадь соприкосновения реагирующих веществ, которая обусловлена степенью измельчения твердого вещества. Степень измельчения поверхности твердого тела — важный фактор, который учитывается константой скорости реакции. Поэтому, пока величина поверхности твердого тела остается практически постоянной, скорость гетерогенной реакции зависит только от концентрации веществ (растворенных или газообразных). Поэтому, для гетерогенных систем в выражение скорости реакции не входит концентрация (точнее, парциальное давление) твердого вещества.

Например, скорость реакции С + О₂ = СО₂ пропорциональна только концентрации кислорода:

В общем случае скорость гетерогенных реакций зависит от:

— скорости подвода реагентов к границе раздела фаз;
— скорости реакции на поверхности раздела фаз, которая зависит от площади этой поверхности (чаще всего самой медленной);
— скорости отвода продуктов реакции от границы раздела фаз.

Универсального выражения для скорости гетерогенных реакций не существует, поскольку каждая из стадий при определенных условиях может быть лимитирующей. Но в некоторых случаях, когда диффузионные стадии заведомо не являются лимитирующими из-за активного перемешивания реагентов, а площадь поверхности раздела фаз меняется медленно, можно экспериментально получить кинетические уравнения типа, удовлетворительно описывающие протекание гетерогенных реакций. Это имеет важное значение для химического производства, где большинство используемых реакций является гетерогенными