Влиянието на природата на реагентите върху скоростта на реакциите. Влиянието на природата на реагентите върху скоростта на реакциите Какви фактори определят скоростта на реакциите?

Механизмите на химичните превръщания и техните скорости се изучават от химичната кинетика. Химическите процеси протичат във времето с различна скорост. Някои се случват бързо, почти мигновено, докато други отнемат много време, за да се появят.

Във връзка с

Бърза реакция- скоростта, с която се изразходват реагенти (концентрацията им намалява) или се образуват реакционни продукти на единица обем.

Фактори, които могат да повлияят на скоростта на химичната реакция

Следните фактори могат да повлияят на това колко бързо протича химическа реакция:

• концентрация на вещества;
• естество на реагентите;
• температура;
• наличие на катализатор;
• налягане (за реакции в газова среда).

По този начин, като промените определени условия на химичен процес, можете да повлияете колко бързо ще протече процесът.

В процеса на химично взаимодействие частиците на реагиращите вещества се сблъскват една с друга. Броят на тези съвпадения е пропорционален на броя на частиците вещества в обема на реагиращата смес и следователно пропорционален на моларните концентрации на реагентите.

Закон за масовото действиеописва зависимостта на скоростта на реакцията от моларните концентрации на веществата, които взаимодействат.

За елементарна реакция (A + B → ...) този закон се изразява с формулата:

υ = k ∙С A ∙С B,

където k е константата на скоростта; C A и C B са моларните концентрации на реагентите A и B.

Ако едно от реагиращите вещества е в твърдо състояние, тогава взаимодействието възниква на границата на раздела; следователно концентрацията на твърдото вещество не е включена в уравнението на кинетичния закон за действие на масата. За да разберем физическия смисъл на константата на скоростта, е необходимо да вземем C, A и C B равни на 1. Тогава става ясно, че константата на скоростта е равна на скоростта на реакцията при концентрации на реагентите, равни на единица.

Естество на реагентите

Тъй като по време на взаимодействието химичните връзки на реагиращите вещества се разрушават и се образуват нови връзки на реакционните продукти, естеството на връзките, участващи в реакцията на съединенията, и структурата на молекулите на реагиращите вещества ще играят голяма роля .

Повърхностна площ на контакт на реагентите

Такава характеристика като повърхността на контакт на твърдите реагенти влияе върху хода на реакцията, понякога доста значително. Смилането на твърдо вещество ви позволява да увеличите повърхността на контакт на реагентите и следователно да ускорите процеса. Контактната площ на разтворимите вещества лесно се увеличава чрез разтваряне на веществото.

Реакционна температура

С повишаването на температурата енергията на сблъскващи се частици ще се увеличи; очевидно е, че с повишаване на температурата самият химичен процес ще се ускори. Ясен пример за това как повишаването на температурата влияе върху процеса на взаимодействие на веществата може да се счита за данните, дадени в таблицата.

Таблица 1. Ефект от температурните промени върху скоростта на образуване на вода (O 2 +2H 2 → 2H 2 O)

За да се опише количествено как температурата може да повлияе на скоростта на взаимодействие на веществата, се използва правилото на Вант Хоф. Правилото на Вант Хоф е, че при повишаване на температурата с 10 градуса се получава ускорение 2-4 пъти.

Математическата формула, описваща правилото на van't Hoff е следната:

Където γ е температурният коефициент на скоростта на химичната реакция (γ = 2−4).

Но уравнението на Арениус описва температурната зависимост на константата на скоростта много по-точно:

Където R е универсалната газова константа, A е фактор, определен от вида на реакцията, E, A е енергията на активиране.

Енергията на активиране е енергията, която една молекула трябва да придобие, за да настъпи химическа трансформация. Тоест, това е един вид енергийна бариера, която молекулите, сблъскващи се в реакционния обем, ще трябва да преодолеят, за да преразпределят връзките.

Енергията на активиране не зависи от външни фактори, а зависи от природата на веществото. Стойността на енергията на активиране до 40 - 50 kJ/mol позволява на веществата да реагират помежду си доста активно. Ако енергията на активиране надвишава 120 kJ/mol, тогава веществата (при обикновени температури) ще реагират много бавно. Промяната в температурата води до промяна в броя на активните молекули, т.е. молекулите, които са достигнали енергия, по-голяма от енергията на активиране, и следователно са способни на химични трансформации.

Катализиращо действие

Катализаторът е вещество, което може да ускори процес, но не е част от неговите продукти. Катализата (ускоряване на химическата трансформация) се разделя на хомогенна и хетерогенна. Ако реагентите и катализаторът са в едни и същи агрегатни състояния, тогава катализът се нарича хомогенен, ако е в различни състояния, тогава е хетерогенен. Механизмите на действие на катализаторите са разнообразни и доста сложни. В допълнение, заслужава да се отбележи, че катализаторите се характеризират със селективност на действие. Тоест, един и същ катализатор, докато ускорява една реакция, може да не промени скоростта на друга.

налягане

Ако в трансформацията участват газообразни вещества, тогава скоростта на процеса ще бъде повлияна от промените в налягането в системата . Това се случва, защоточе за газообразните реагенти промяната в налягането води до промяна в концентрацията.

Експериментално определяне на скоростта на химична реакция

Скоростта на химическата трансформация може да се определи експериментално чрез получаване на данни за това как концентрацията на веществата, влизащи в реакцията или продуктите, се променя за единица време. Методите за получаване на такива данни са разделени на

• химически,
• физико-хим.

Химическите методи са доста прости, достъпни и точни. С тяхна помощ скоростта се определя чрез директно измерване на концентрацията или количеството на веществото на реагентите или продуктите. При бавна реакция се вземат проби, за да се следи как се изразходва реагента. След това се определя съдържанието на реагента в пробата. Чрез вземане на проби на редовни интервали е възможно да се получат данни за промените в количеството на дадено вещество по време на процеса на взаимодействие. Най-често използваните видове анализи са титриметрия и гравиметрия.

Ако реакцията протича бързо, тогава трябва да се спре, за да се вземе проба. Това може да стане с помощта на охлаждане, рязко отстраняване на катализатора, също така е възможно да се разреди или прехвърли един от реагентите в нереактивно състояние.

Методите за физикохимичен анализ в съвременната експериментална кинетика се използват по-често от химичните. С тяхна помощ можете да наблюдавате промените в концентрациите на веществата в реално време. В този случай не е необходимо да се спира реакцията и да се вземат проби.

Физикохимичните методи се основават на измерването на физическо свойство, което зависи от количественото съдържание на определено съединение в системата и се променя с времето. Например, ако газовете участват в реакция, тогава налягането може да бъде такова свойство. Измерват се също електропроводимостта, индексът на пречупване и спектрите на поглъщане на веществата.

Кинетика– наука за скоростите на химичните реакции.

Скорост на химична реакция– броя на елементарните актове на химично взаимодействие, възникващи за единица време на единица обем (хомогенни) или на единица повърхност (хетерогенни).

Истинската скорост на реакция:

За хомогенни, хетерогенни реакции:

1) концентрация на реагиращи вещества;

2) температура;

3) катализатор;

4) инхибитор.

Само за разнородни:

1) скоростта на подаване на реагиращи вещества към фазовия интерфейс;

2) повърхностна площ.

Основният фактор е природата на реагентите - природата на връзките между атомите в молекулите на реагентите.

NO 2 – азотен оксид (IV) – лисича опашка, CO – въглероден оксид, въглероден оксид.

Ако се окисляват с кислород, тогава в първия случай реакцията ще настъпи мигновено, веднага щом отворите капачката на съда, във втория случай реакцията се удължава във времето.

Концентрацията на реагентите ще бъде обсъдена по-долу.

Синята опалесценция показва момента на утаяване на сяра; колкото по-висока е концентрацията, толкова по-висока е скоростта.

Ориз. 10

Колкото по-висока е концентрацията на Na 2 S 2 O 3, толкова по-малко време отнема реакцията. Графиката (фиг. 10) показва правопропорционална зависимост. Количествената зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на реагиращите вещества се изразява чрез LMA (закон за действието на масата), който гласи: скоростта на химичната реакция е правопропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества.

Така, основен закон на кинетикатае експериментално установен закон: скоростта на реакцията е пропорционална на концентрацията на реагентите, пример: (т.е. за реакция)

За тази реакция H 2 + J 2 = 2HJ – скоростта може да се изрази като промяна в концентрацията на всяко от веществата. Ако реакцията протича отляво надясно, тогава концентрацията на H 2 и J 2 ще намалее, а концентрацията на HJ ще се увеличи с напредването на реакцията. За моментната скорост на реакция можем да напишем израза:

квадратните скоби показват концентрация.

Физически смисъл к–молекулите са в непрекъснато движение, сблъскват се, разлитат се и се удрят в стените на съда. За да се осъществи химическата реакция за образуване на HJ, молекулите H2 и J2 трябва да се сблъскат. Броят на такива сблъсъци ще бъде по-голям, колкото повече молекули на H 2 и J 2 се съдържат в обема, т.е. колкото по-големи са стойностите [H 2 ] и . Но молекулите се движат с различни скорости и общата кинетична енергия на двете сблъскващи се молекули ще бъде различна. Ако най-бързите молекули H 2 и J 2 се сблъскат, тяхната енергия може да бъде толкова висока, че молекулите се разпадат на атоми на йод и водород, които се разлитат и след това взаимодействат с други молекули H 2 + J 2 > 2H+2J, след това H + J 2 > HJ + J. Ако енергията на сблъскващите се молекули е по-малка, но достатъчно висока, за да отслаби връзките H – H и J – J, ще настъпи реакция на образуване на йодоводород:

За повечето сблъскващи се молекули енергията е по-малка от тази, необходима за отслабване на връзките в H 2 и J 2. Такива молекули "тихо" ще се сблъскат и също "тихо" ще се разпръснат, оставайки това, което са били, H 2 и J 2. Така не всички, а само част от сблъсъците водят до химическа реакция. Коефициентът на пропорционалност (k) показва броя на ефективните сблъсъци, водещи до реакция на сблъсък при концентрации [H 2 ] = 1 mol. величина к–постоянна скорост. Как скоростта може да бъде постоянна? Да, скоростта на равномерното праволинейно движение е постоянна векторна величина, равна на съотношението на движението на тялото за всеки период от време към стойността на този интервал. Но молекулите се движат хаотично, тогава как може скоростта да бъде постоянна? Но постоянна скорост може да има само при постоянна температура. С повишаване на температурата делът на бързите молекули, чиито сблъсъци водят до реакция, се увеличава, т.е. константата на скоростта се увеличава. Но нарастването на константата на скоростта не е неограничено. При определена температура енергията на молекулите ще стане толкова голяма, че почти всички сблъсъци на реагентите ще бъдат ефективни. Когато две бързи молекули се сблъскат, ще настъпи обратна реакция.

Ще дойде момент, когато скоростите на образуване на 2HJ от H 2 и J 2 и разлагането ще бъдат равни, но това вече е химично равновесие. Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите може да се проследи с помощта на традиционната реакция на взаимодействие на разтвор на натриев тиосулфат с разтвор на сярна киселина.

Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 S 2 O 3, (1)

H2S2O3 = Sv+H2O+SO2^. (2)

Реакция (1) настъпва почти моментално. Скоростта на реакцията (2) зависи при постоянна температура от концентрацията на реагента H 2 S 2 O 3 . Точно такава реакция наблюдавахме - в случая скоростта се измерва с времето от началото на сливането на разтворите до появата на опалесценция. В статията Л. М. Кузнецова Описана е реакцията на натриев тиосулфат със солна киселина. Тя пише, че когато разтворите се източват, настъпва опалесценция (мътност). Но това твърдение на Л. М. Кузнецова е погрешно, тъй като опалесценцията и мътността са две различни неща. Опалесценция (от опал и лат есенция– наставка, означаваща слаб ефект) – разсейване на светлината от мътни среди поради тяхната оптична нехомогенност. Разсейване на светлината– отклонение на светлинните лъчи, разпространяващи се в среда във всички посоки от първоначалната посока. Колоидните частици са способни да разпръскват светлина (ефект на Тиндал-Фарадей) - това обяснява опалесценцията, леко помътняване на колоидния разтвор. При провеждането на този експеримент е необходимо да се вземе предвид синята опалесценция и след това коагулацията на колоидната суспензия на сярата. Същата плътност на суспензията се отбелязва чрез видимото изчезване на всякакъв модел (например решетка на дъното на чаша), наблюдаван отгоре през слоя разтвор. Времето се отчита с хронометър от момента на източване.

Разтвори на Na 2 S 2 O 3 x 5H 2 O и H 2 SO 4.

Първият се приготвя чрез разтваряне на 7,5 g сол в 100 ml Н2О, което съответства на концентрация от 0,3 М. За да приготвите разтвор на H 2 SO 4 със същата концентрация, трябва да измерите 1,8 ml H 2 SO 4 (k), ? = = 1,84 g/cm 3 и го разтворете в 120 ml H 2 O. Изсипете приготвения разтвор на Na 2 S 2 O 3 в три чаши: 60 ml в първата, 30 ml във втората, 10 ml в третата. Добавете 30 ml дестилирана Н2О към втората чаша и 50 ml към третата чаша. Така и в трите чаши ще има по 60 мл течност, но в първата концентрацията на сол условно е = 1, във втората – ½, а в третата – 1/6. След като разтворите са приготвени, изсипете 60 ml разтвор на H 2 SO 4 в първата чаша със солен разтвор и включете хронометъра и т.н. Като се има предвид, че скоростта на реакцията намалява с разреждането на разтвора на Na 2 S 2 O 3, може да се определи като величина, обратно пропорционална на времето v = 1/? и постройте графика, нанасяйки концентрацията по абсцисната ос и скоростта на реакцията по ординатната ос. Изводът от това е, че скоростта на реакцията зависи от концентрацията на веществата. Получените данни са изброени в таблица 3. Този експеримент може да се извърши с помощта на бюрети, но това изисква много практика от изпълнителя, тъй като графиката може да е неправилна.

Таблица 3

Скорост и време за реакция

Законът на Guldberg-Waage е потвърден - професор по химия Gulderg и млад учен Waage).

Нека разгледаме следващия фактор - температурата.

С повишаване на температурата скоростта на повечето химични реакции се увеличава. Тази зависимост се описва от правилото на Вант Хоф: „За всеки 10 °C повишаване на температурата скоростта на химичните реакции се увеличава от 2 до 4 пъти.“

Където ? – температурен коефициент, показващ колко пъти се увеличава скоростта на реакцията, когато температурата се повиши с 10 °C;

v 1 – скорост на реакцията при температура t 1;

v 2 –скорост на реакция при температура t2.

Например, реакция при 50 °C отнема две минути, колко време ще отнеме за завършване на процеса при 70 °C, ако температурният коефициент ? = 2?

t 1 = 120 s = 2 минути; t 1 = 50 °C; t 2 = 70 °C.

Дори леко повишаване на температурата предизвиква рязко увеличаване на скоростта на реакция на активни сблъсъци на молекулата. Според теорията на активирането в процеса участват само онези молекули, чиято енергия е по-голяма от средната енергия на молекулите с определено количество. Тази излишна енергия е активираща енергия. Физическото му значение е енергията, необходима за активния сблъсък на молекулите (пренареждане на орбиталите). Броят на активните частици и следователно скоростта на реакцията се увеличава с температурата по експоненциален закон, съгласно уравнението на Арениус, което отразява зависимостта на константата на скоростта от температурата

Където А -коефициент на пропорционалност на Арениус;

к–константа на Болцман;

E A –активираща енергия;

R –газова константа;

T-температура.

Катализаторът е вещество, което ускорява скоростта на реакцията, без да се изразходва.

Катализа– феноменът на промяна на скоростта на реакцията в присъствието на катализатор. Има хомогенна и хетерогенна катализа. Хомогенна– ако реагентите и катализаторът са в едно и също агрегатно състояние. Разнородни– ако реагентите и катализаторът са в различни агрегатни състояния. За катализата вижте отделно (по-нататък).

инхибитор– вещество, което забавя скоростта на реакцията.

Следващият фактор е повърхността. Колкото по-голяма е повърхността на реагента, толкова по-голяма е скоростта. Нека разгледаме, използвайки пример, ефекта на степента на дисперсия върху скоростта на реакцията.

CaCO 3 – мрамор. Потопете мрамора с плочки в солна киселина HCl, изчакайте пет минути, той ще се разтвори напълно.

Мрамор на прах - ще направим същата процедура с него, той ще се разтвори за тридесет секунди.

Уравнението и за двата процеса е едно и също.

CaCO 3 (s) + HCl (g) = CaCl 2 (s) + H 2 O (l) + CO 2 (g) ^.

Така че, когато добавяте прахообразен мрамор, времето е по-малко, отколкото когато добавяте мраморна плоча, за същата маса.

С увеличаване на повърхността на интерфейса се увеличава скоростта на хетерогенните реакции.

Скоростта на химическата реакция зависи от много фактори, включително естеството на реагентите, концентрацията на реагентите, температурата и наличието на катализатори. Нека разгледаме тези фактори.

1). Естество на реагентите. Ако има взаимодействие между вещества с йонна връзка, тогава реакцията протича по-бързо, отколкото между вещества с ковалентна връзка.

2.) Концентрация на реагентите. За да се осъществи химическа реакция, молекулите на реагиращите вещества трябва да се сблъскат. Тоест, молекулите трябва да се доближат толкова близо една до друга, че атомите на едната частица да изпитват действието на електрическите полета на другата. Само в този случай ще са възможни преходи на електрони и съответните пренареждания на атомите, в резултат на което се образуват молекули на нови вещества. По този начин скоростта на химичните реакции е пропорционална на броя на сблъсъците, които възникват между молекулите, а броят на сблъсъците от своя страна е пропорционален на концентрацията на реагентите. Въз основа на експериментален материал норвежките учени Гулдберг и Вааге и независимо от тях руският учен Бекетов през 1867 г. формулират основния закон на химичната кинетика - закон за масовото действие(ZDM): при постоянна температура скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества към степента на техните стехиометрични коефициенти. За общия случай:

законът за масовото действие има формата:

Записването на закона за действието на масата за дадена реакция се нарича основно кинетично уравнение на реакцията. В основното кинетично уравнение k е константата на скоростта на реакцията, която зависи от природата на реагентите и температурата.

Повечето химични реакции са обратими. По време на такива реакции техните продукти, докато се натрупват, реагират помежду си, за да образуват изходните вещества:

Скорост на реакция напред:

Скорост на обратна връзка:

В момента на равновесие:

Следователно законът за действието на масите в състояние на равновесие приема формата:

където K е равновесната константа на реакцията.

3) Влияние на температурата върху скоростта на реакцията. Скоростта на химичните реакции, като правило, се увеличава, когато температурата се превиши. Нека разгледаме това на примера на взаимодействието на водород с кислород.

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

При 20 0 C скоростта на реакцията е практически нулева и ще отнеме 54 милиарда години за напредък на взаимодействието с 15%. При 500 0 C образуването на вода ще отнеме 50 минути, а при 700 0 C реакцията настъпва мигновено.

Изразена е зависимостта на скоростта на реакцията от температурата правилото на Вант Хоф: при повишаване на температурата с 10 o скоростта на реакцията се увеличава 2–4 пъти. Правилото на Вант Хоф е написано:

4) Ефект на катализаторите. Скоростта на химичните реакции може да се контролира с помощта на катализатори– вещества, които променят скоростта на реакцията и остават след реакцията в непроменени количества. Промяната на скоростта на реакцията в присъствието на катализатор се нарича катализа. Разграничете положителен(скоростта на реакцията се увеличава) и отрицателен(скоростта на реакцията намалява) катализа. Понякога по време на реакция се образува катализатор; такива процеси се наричат ​​автокаталитични. Има хомогенна и хетерогенна катализа.

При хомогененПри катализата катализаторът и реагентите са в една и съща фаза. Например:

При разнородниПри катализата катализаторът и реагентите са в различни фази. Например:

Хетерогенната катализа е свързана с ензимни процеси. Всички химични процеси, протичащи в живите организми, се катализират от ензими, които са протеини с определени специализирани функции. В разтвори, в които протичат ензимни процеси, няма типична хетерогенна среда, поради липсата на ясно дефинирана фазова граница. Такива процеси се наричат ​​микрохетерогенна катализа.

Химическите реакции протичат с различна скорост: с ниска скорост по време на образуването на сталактити и сталагмити, със средна скорост при готвене на храна, мигновено по време на експлозия. Реакциите протичат много бързо във водни разтвори.

Определянето на скоростта на химичната реакция, както и изясняването на нейната зависимост от условията на процеса, е задача на химичната кинетика - науката за закономерностите на химичните реакции във времето.

Ако химичните реакции протичат в хомогенна среда, например в разтвор или в газова фаза, тогава взаимодействието на реагиращите вещества се извършва в целия обем. Такива реакции се наричат хомогенен.

(v homog) се определя като промяната в количеството вещество за единица време за единица обем:

където Δn е промяната в броя на моловете на едно вещество (най-често оригиналното, но може да бъде и продукт на реакцията); Δt - интервал от време (s, min); V е обемът газ или разтвор (l).

Тъй като отношението на количеството вещество към обема представлява моларната концентрация С, тогава

По този начин скоростта на хомогенна реакция се определя като промяна в концентрацията на едно от веществата за единица време:

ако обемът на системата не се променя.

Ако възникне реакция между вещества в различни агрегатни състояния (например между твърдо вещество и газ или течност) или между вещества, които не могат да образуват хомогенна среда (например между несмесващи се течности), тогава тя се случва само на контактната повърхност на веществата. Такива реакции се наричат разнородни.

Дефинира се като промяна в количеството вещество за единица време върху единица повърхност.

където S е повърхността на контакт на веществата (m 2, cm 2).

Промяната в количеството на веществото, чрез което се определя скоростта на реакцията, е външен фактор, наблюдаван от изследователя. Всъщност всички процеси се извършват на микро ниво. Очевидно, за да реагират някои частици, те първо трябва да се сблъскат, и то ефективно: не да се разпръснат като топки в различни посоки, а по такъв начин, че „старите връзки“ да бъдат унищожени или отслабени в частиците и „новите“ да могат форма.“, като за това частиците трябва да имат достатъчна енергия.

Изчислените данни показват, че например в газовете сблъсъците на молекули при атмосферно налягане възлизат на милиарди в секунда, тоест всички реакции трябва да се случват мигновено. Но това не е вярно. Оказва се, че само много малка част от молекулите имат необходимата енергия, за да доведат до ефективни сблъсъци.

Минималният излишък на енергия, който една частица (или двойка частици) трябва да има, за да възникне ефективен сблъсък, се нарича активираща енергияЕа.

По този начин по пътя на всички частици, влизащи в реакцията, има енергийна бариера, равна на енергията на активиране E a. Когато е малък, има много частици, които могат да го преодолеят, а скоростта на реакцията е висока. В противен случай се изисква „натискане“. Когато донесете кибрит, за да запалите алкохолна лампа, вие предавате допълнителната енергия E a, необходима за ефективния сблъсък на молекулите на алкохола с молекулите на кислорода (преодоляване на бариерата).

Скоростта на химичната реакция зависи от много фактори. Основните са: естеството и концентрацията на реагентите, налягането (при реакции с участието на газове), температурата, действието на катализаторите и повърхността на реагентите в случай на хетерогенни реакции.

температура

С повишаването на температурата в повечето случаи скоростта на химичната реакция се увеличава значително. През 19 век Холандският химик J. X. van't Hoff формулира правилото:

Всяко повишаване на температурата с 10 °C води до повишаване наскорост на реакция 2-4 пъти(тази стойност се нарича температурен коефициент на реакцията).

С повишаването на температурата средната скорост на молекулите, тяхната енергия и броят на сблъсъците леко се увеличават, но делът на „активните“ молекули, участващи в ефективни сблъсъци, които преодоляват енергийната бариера на реакцията, рязко се увеличава. Математически тази зависимост се изразява чрез отношението:

където v t 1 и v t 2 са реакционните скорости, съответно, при крайната t 2 и началната t 1 температури, а γ е температурният коефициент на скоростта на реакцията, който показва колко пъти се увеличава скоростта на реакцията с всяко увеличение от 10 °C в температурата.

Въпреки това, за да се увеличи скоростта на реакцията, повишаването на температурата не винаги е приложимо, тъй като изходните вещества могат да започнат да се разлагат, разтворителите или самите вещества могат да се изпарят и т.н.

Ендотермични и екзотермични реакции

Известно е, че реакцията на метан с атмосферния кислород е придружена от отделяне на голямо количество топлина. Поради това се използва в ежедневието за готвене, загряване на вода и отопление. Природният газ, доставян в домовете по тръби, се състои от 98% метан. Реакцията на калциев оксид (CaO) с вода също е придружена от отделяне на голямо количество топлина.

Какво могат да показват тези факти? Когато в продуктите на реакцията се образуват нови химични връзки, Повече ▼енергия, отколкото е необходима за разкъсване на химичните връзки в реагентите. Излишната енергия се освобождава като топлина и понякога светлина.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (енергия (светлина, топлина));

CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (енергия (топлина)).

Такива реакции трябва да се случват лесно (както камъкът се търкаля лесно надолу).

Реакциите, при които се отделя енергия, се наричат ЕКЗОТЕРМИЧЕН(от латинското "exo" - навън).

Например, много редокс реакции са екзотермични. Една от тези красиви реакции е вътрешномолекулно окисление-редукция, протичащо в същата сол - амониев дихромат (NH 4) 2 Cr 2 O 7:

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O + Q (енергия).

Друго нещо е обратната реакция. Те са аналогични на търкалянето на камък нагоре по хълм. Все още не е възможно да се получи метан от CO 2 и вода и е необходимо силно нагряване, за да се получи негасена вар CaO от калциев хидроксид Ca(OH) 2. Тази реакция възниква само при постоянен поток от външна енергия:

Ca(OH) 2 = CaO + H 2 O - Q (енергия (топлина))

Това предполага, че разкъсването на химични връзки в Ca(OH) 2 изисква повече енергия, отколкото може да бъде освободена по време на образуването на нови химични връзки в CaO и H 2 O молекули.

Реакциите, при които се поглъща енергия, се наричат ЕНДОТЕРМАЛЕН(от „ендо” - навътре).

Концентрация на реагентите

Промяната в налягането, когато в реакцията участват газообразни вещества, също води до промяна в концентрацията на тези вещества.

За да възникнат химически взаимодействия между частиците, те трябва ефективно да се сблъскат. Колкото по-висока е концентрацията на реагентите, толкова повече сблъсъци и съответно по-висока скорост на реакцията. Например ацетиленът гори много бързо в чист кислород. В този случай се развива температура, достатъчна за стопяване на метала. Въз основа на голямо количество експериментален материал през 1867 г. норвежците К. Гулденберг и П. Вааге и независимо от тях през 1865 г. руският учен Н. И. Бекетов формулира основния закон на химичната кинетика, установявайки зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагиращите вещества.

Скоростта на химичната реакция е пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества, взети в степени, равни на техните коефициенти в уравнението на реакцията.

Този закон се нарича още закон за масовото действие.

За реакцията A + B = D този закон ще бъде изразен, както следва:

За реакцията 2A + B = D този закон ще бъде изразен, както следва:

Тук C A, C B са концентрациите на веществата A и B (mol/l); k 1 и k 2 са коефициенти на пропорционалност, наречени константи на скоростта на реакцията.

Физическият смисъл на константата на скоростта на реакцията не е труден за установяване - тя е числено равна на скоростта на реакцията, при която концентрациите на реагентите са 1 mol/l или произведението им е равно на единица. В този случай е ясно, че константата на скоростта на реакцията зависи само от температурата и не зависи от концентрацията на веществата.

Закон за масовото действие не отчита концентрацията на реагентите в твърдо състояние, тъй като те реагират на повърхности и техните концентрации обикновено са постоянни.

Например, за реакция на изгаряне на въглища, изразът за скоростта на реакцията трябва да бъде написан, както следва:

скоростта на реакцията е пропорционална само на концентрацията на кислород.

Ако уравнението на реакцията описва само обща химическа реакция, която протича на няколко етапа, тогава скоростта на такава реакция може да зависи по сложен начин от концентрациите на изходните вещества. Тази зависимост се определя експериментално или теоретично въз основа на предложения механизъм на реакция.

Действие на катализаторите

Възможно е да се увеличи скоростта на реакцията чрез използване на специални вещества, които променят механизма на реакцията и я насочват по енергийно по-благоприятен път с по-ниска енергия на активиране. Те се наричат ​​катализатори (от латинското katalysis - разрушаване).

Катализаторът играе ролята на опитен гид, превеждайки група туристи не през висок проход в планината (преодоляването му изисква много усилия и време и не е достъпен за всеки), а по познатите му обходни пътеки, по които човек може да преодолее планината много по-лесно и по-бързо.

Вярно е, че по обиколния път можете да стигнете не точно там, където води главният проход. Но понякога точно това се изисква! Точно така действат катализаторите, които се наричат ​​селективни. Ясно е, че няма нужда да се изгарят амоняк и азот, но азотният оксид (II) се използва при производството на азотна киселина.

Катализатори- това са вещества, които участват в химична реакция и променят нейната скорост или посока, но в края на реакцията остават непроменени количествено и качествено.

Промяната на скоростта на химическа реакция или нейната посока с помощта на катализатор се нарича катализа. Катализаторите се използват широко в различни индустрии и транспорт (каталитични преобразуватели, които превръщат азотните оксиди от изгорелите газове на автомобили в безвреден азот).

Има два вида катализа.

Хомогенна катализа, при което и катализаторът, и реагентите са в едно и също агрегатно състояние (фаза).

Хетерогенна катализа, при които катализаторът и реагентите са в различни фази. Например, разлагането на водороден пероксид в присъствието на твърд катализатор манганов (IV) оксид:

Самият катализатор не се изразходва в резултат на реакцията, но ако на повърхността му се адсорбират други вещества (те се наричат ​​каталитични отрови), тогава повърхността става неработеща и е необходима регенерация на катализатора. Следователно, преди провеждане на каталитичната реакция, изходните материали се пречистват напълно.

Например, при производството на сярна киселина чрез контактен метод се използва твърд катализатор - ванадиев (V) оксид V 2 O 5:

При производството на метанол се използва твърд катализатор "цинк-хром" (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):

Биологичните катализатори – ензимите – действат много ефективно. По химична природа те са протеини. Благодарение на тях в живите организми при ниски температури протичат с висока скорост сложни химични реакции.

Известни са и други интересни вещества – инхибитори (от лат. inhibere – забавям). Те реагират с активни частици с висока скорост, за да образуват нискоактивни съединения. В резултат на това реакцията рязко се забавя и след това спира. Инхибиторите често се добавят специално към различни вещества, за да предотвратят нежелани процеси.

Например, разтворите на водороден прекис се стабилизират с помощта на инхибитори.

Естеството на реагиращите вещества (техният състав, структура)

Значение енергии на активиранее факторът, чрез който се влияе влиянието на природата на реагиращите вещества върху скоростта на реакцията.

Ако енергията на активиране е ниска (< 40 кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкнове­ний между частицами реагирующих веществ при­водит к их взаимодействию, и скорость такой ре­акции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих ре­акциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в данных случаях ничтожно мала.

Ако енергията на активиране е висока(> 120 kJ/mol), това означава, че само малка част от сблъсъци между взаимодействащи частици водят до реакция. Следователно скоростта на такава реакция е много ниска. Например, развитието на реакцията на синтез на амоняк при обикновени температури е почти невъзможно да се забележи.

Ако енергиите на активиране на химичните реакции имат междинни стойности (40120 kJ / mol), тогава скоростите на такива реакции ще бъдат средни. Такива реакции включват взаимодействието на натрий с вода или етилов алкохол, обезцветяване на бромна вода с етилен, взаимодействие на цинк със солна киселина и др.

Контактна повърхност на реагиращи вещества

Скоростта на реакциите, протичащи на повърхността на веществата, т.е. хетерогенните, зависи, при равни други условия, от свойствата на тази повърхност. Известно е, че тебеширът на прах се разтваря много по-бързо в солна киселина, отколкото парче тебешир с еднакво тегло.

Увеличаването на скоростта на реакция се дължи предимно на увеличаване на контактната повърхност на изходните вещества, както и редица други причини, например нарушение на структурата на „правилната“ кристална решетка. Това води до факта, че частиците на повърхността на получените микрокристали са много по-реактивни от същите частици на "гладка" повърхност.

В промишлеността, за извършване на хетерогенни реакции, се използва „кипящ слой“ за увеличаване на контактната повърхност на реагиращите вещества, доставяне на изходни вещества и отстраняване на продуктите. Например, при производството на сярна киселина, пиритът се изпича с помощта на „кипящ слой“.

Справочен материал за полагане на теста:

Менделеевата таблица

Таблица за разтворимост