Скорость химической реакции

Подготовила: учитель -модератор химии НИШ ХБН г.Атырау
Ким Е.Г.



2019 г

Тема урока: ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАЦИЙ.

Единицы измерения скорости химической реакции
1 моль/л∙с; 1 кмоль/м3∙мин;

Зачем нужно изучать скорость, с которой
протекают химические явления?
Изменение количества вещества, по которому
определяют скорость реакции, – это внешний
фактор, наблюдаемый исследователем. По
сути, все процессы осуществляются на
микроуровне. Очевидно, для того чтобы
какие-то частицы прореагировали, они
прежде всего должны столкнуться. Причем
столкнуться эффективно – так, чтобы в
частицах разрушились или ослабли "старые
связи" и смогли образоваться "новые", а для
этого частицы должны обладать достаточной энергией.

Оказывается, что лишь очень небольшая
доля молекул обладает необходимой
энергией, приводящей к эффективному
соударению. Эта энергия называется
энергией активации. Многие возможные
реакции практически не идут, так как высока
энергия активации.
Это имеет огромное значение для нашей
жизни. Представьте, что бы случилось, если бы
все термодинамически разрешенные реакции
могли идти, не имея никакого энергетического
барьера (энергии активации). Кислород воздуха
прореагировал бы со всем, что может гореть
или просто окисляться.

"Пострадали" бы все органические вещества, они превратились бы в углекислый газ и воду.

Таким образом, окружающий мир и мы
сами существуем только благодаря наличию
энергии активации, не позволяющей
реакциям идти со значительной скоростью.

Скорость гомогенной реакции

Скорость гетерогенной реакции

N2 (г)+ 3H2 (г)→ 2NH3(г)
В этой реакции из-за уменьшения
во времени общего количества молей
газообразных веществ давление
уменьшается и с помощью определения
количества уменьшения давления можно
определить скорость.

Так как все вещества состоят из элементарных
частиц, для того, чтобы произошла химическая
реакция эти частицы должны столкнуться. Но
не каждая химическая реакция является
результатом столкновения. В ходе столкновения
атомы и электроны заново перестраиваются и дают
Возможность образованию новой химической связи.
Но, далеко не все столкновения являются
эффективными. При столкновении молекул имеет
значение не только геометрический фактор
(пространственное строение), но и энергетический.
В химическую реакцию вступают только те
молекулы, которые имеют избыточный запас
энергии для удачного столкновения.

Эту энергию – энергия активации Еа (кДж/моль).
Энергия активации ионных реакций близка к
нулю, поэтому реакции между электролитами
протекают очень быстро, а реакции с прочными
ковалентными связями характеризуются большими
значениями Еа и идут очень медленно.
Энергия активации необходима в основном для
ослабления химических связей в исходных
веществах и для преодоления отталкивания между
электролитами, которое возникает при сближении
молекул и атомов взаимодействующих веществ и
препятствует их столкновению.

На основе большого экспериментального материала в 1865 году русским ученым Н.И. Бекетовым и независимо от него в 1867 году норвежцами К. Гульдбергом и П. Ваагебыл сформулирован основной закон химической кинетики. Закон действующих масс устанавливает соотношение между массами реагирующих веществ в химических реакциях при равновесии. согласно которому скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведённым в некоторые степени. Согласно этому закону скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Закон действующих масс используют при различных расчетах химических процессов. Он позволяет решить вопрос, в каком направлении возможно самопроизвольное течение рассматриваемой реакции при заданном соотношении концентраций реагирующих веществ, какой выход нужного продукта может быть получен.

ФАКТОР:КОНЦЕНТРАЦИЯ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
(Закон действующих масс)

Концентрация реагирующих веществ

Чем больше концентрация, тем больше
вероятность столкновения реагирующих веществ.
Математически зависимость скорости от
концентрации для реакции: 2А+В=АВ выражается
следующим образом:


Пример: Для реакции n А+mВ= pД этот закон выразится так: V = k [CA ]n [CB]m

СA СB (моль\л)концентрации исходных
веществ;n, m– коэффициенты в уравнении
реакции; k – константа скорости.

Для реакции 2 А+ В = Д этот закон выразится так: V = k CА2 CB
Физический смысл константы скорости реакции нетрудно установить – она численно равна скорости реакции, в которой концентрации реагирующих веществ равна 1 моль/л или их произведения равно единице:
Если (А) = (В) = 1 моль/л  V =k *1 *1,
т.е. V = k.
Это скорость данной реакции в стандартных условиях.

Коэффициент пропорциональнольсти k
константа скорости – для каждой
химической реакции при данной
температуре является сугубо
индивидуальной величиной, её численное
значение определяется природой
реагирующих веществ, геометрической
конфигурацией их молекул. Он
показывает, насколько быстро идет
реакция.

Если в реакции участвуют газообразные вещества, то повышение давления равносильно сжатию газа, т.е. увеличению его концентрации.
При увеличении концентрации газообразного компонента скорость реакции в соответствии с законом действующих масс возрастает.
При понижении давления газ расширяется, и его концентрация в системе падает, это вызывает уменьшение скорости реакции.

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 и учтем, что n/V = c:p/RT = c
Давление и молярная концентрация газа связаны
прямо пропорционально. Поэтому в закон
действующих масс мы можем подставлять вместо
концентрации p/RT.

↑ давления → ↑ концентрации газа →
→ ↑ υ химической реакции
↓ давления → ↓ концентрации газа → →↓ υ химической реакции

Как изменится скорость химической реакции при увеличении давления в системе в 2 раза?
υ2 = [NO]2* [Н2]2 = 22*22 = 24 = 16 раз
увеличится
Как изменится скорость химической реакции при уменьшении давления в 3 раза?
υ2 = [NO]2* [Н2]2 = 2* 2 = 4 = 81 раз
уменьшится

Вам известно, что при повышении температуры
большинство химических и биохимических
процессов заметно ускоряются. Так, мясо при
комнатной температуре испортится гораздо скорее,
чем в холодильнике. В странах с влажным
тропическим климатом фрукты созревают раньше, а
машины ржавеют быстрее, чем в северных широтах.
Железо не реагирует с холодной
концентрированной серной кислотой, но
растворяется в горячей.
Этот эффект еще в 19 веке был описан и
сформулирован в эмпирическое правило (т.е.
выведенное из опытных данных) голландским
химиком Я.Х. Вант-Гоффом и названо его именем.

Правило Вант-Гоффа:
При повышении температуры на каждые 100 C скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.
(эту величину называют температурным коэффициентом реакции)

v2 ,v1 – cкорости реакций соответственно при конечной t2 и начальной t1 температурах, а y – температурный коэффициент реакции, показывающий во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры на каждые 10оC

Чтобы между исходными веществами началась реакция,
следует вначале разорвать или ослабить связи между
атомами в исходных веществах, т.е. активизировать их.
2Н2 + О2 = 2Н2О
Как известно, при н.у. исходные вещества
самопроизвольно не реагируют между собой. Для этого
необходимо нагреть реакционную смесь, т.е. следует
затратить определенную энергию, которая инициирует
начало процесса.

д.м.

Таким образом, прежде чем между водородом
и кислородом сформируется устойчивая
химическая связь, молекулы Н2 и О2 должны
преодолеть некий энергетический барьер
активации. Минимальная энергия, которую
должны получить реагенты в химической
реакции, чтобы преодолеть барьер,
препятствующий образованию продуктов,
называется энергией активации.
Энергия активации необходима для разрыва связей в молекулах Н2 и О2 иобразования новых связей Н-О-Н.
Между исходными молекулами и продуктами
их взаимодействия есть ещё одно состояние,
которое называется активированным переходным состоянием или комплексом.

в химическое взаимодействие вступают только активные молекулы  (частицы), обладающие энергией, достаточной для осуществления данной реакции.

Энергия активации химической реакции

Теория активации:

Каковы были первые представления о веществах-катализаторах?
Каталитические процессы известны издревле. По
видимому, еще в доисторические времена
использовали брожение – превращение глюкозы в
спирт и углекислый газ под действием биологических
катализаторов – ферментов, которые содержатся в
дрожжах. Створаживание молока для получения сыра в
присутствии ферментов сычуга (отдел желудка у
травоядных животных), применение ферментов солода
или плесневых грибов для получения сахаристых
веществ из крахмалистого сырья, использование
заквасок при выпечке хлеба – все эти процессы почти
ровесники человеческой цивилизации. Но проводя
столь сложные превращения, люди и понятия не имели
о сущности того, что они делали.

Лишь в начале 19 века катализ начали выделять из прочих
химических явлений. В 1835 году Якоб Берцелиус, обобщив
разрозненные экспериментальные данные, ввел понятие о
катализе (от греч."катализис" –"разрушение") как о
физическом влиянии на реакцию постороннего вещества
катализатора, который своим присутствием вызывает
химическую активность, но сам при этом не изменяется.
Многие знаменитые физикохимики, сторонники идеи
физического влияния катализатора – Фарадей, Вант-Гофф и
другие – объяснили катализ "сгущением" (увеличением
концентрации) реагентов на поверхности и в порах
катализатора. Основные характеристики катализатора -
активность и селективность. Под селективностью понимают
избирательность превращения в определенном
направлении для реакции, которая может идти разными
путями. Иногда так называют и "пристрастие" катализатора
к определенным реагентам: например, при окислении смеси
из нескольких спиртов катализатор ускоряет реакцию лишь
этилового и метилового.

Катализаторы

Катализаторы – это вещества, участвующие в химической реакции и изменяющие ее скорость или направление, но по окончании реакции остающиеся неизменными качественно и количественно.
Изменение скорости химической реакции или ее направления с помощью катализатора называют катализом. Катализаторы широко используют в различных отраслях промышленности и на транспорте.

Катализатор Kt ускоряют только те реакции,
которые могут происходить, но протекают медленно.
2SO2 + O2 = 2SO3 медленная реакция

2SO2 + O2 === 2SO3 протекает со значительной
скоростью
Согласно теории промежуточных соединений,

А + В == АВ
А + Kt = АКt – промежуточное , активное соединение
(очень не стойкое)

АКt + В == АВ + Кt

катализатор восстанавливается в первоначальном виде

Катализатор обладает избирательным действием:

СН3СН2ОН

Для одной химической реакции существует несколько катализаторов:
2SO2+ O2 = 2SO3 Kt: Fe2O3,Pt, V2O5

В зависимости от того, находится катализатор в том же агрегатном состоянии ( в той же фазе), что и реагирующие вещества, или же нет, различают

В зависимости от того, находится катализатор в том же агрегатном состоянии ( в той же фазе), что и реагирующие вещества, или же нет, различают

В зависимости от того, находится катализатор в том же агрегатном состоянии ( в той же фазе), что и реагирующие вещества, или же нет, различают

Особенности: катализатор и исходные
реагирующие вещества находятся в одной и
той же фазе.
Пример: нитрозный метод получения
серной кислоты – окисление SO2 до SO3 в
присутствии оксида азота(IV)
SO2(водн) + NO2(водн) + H2O = H2SO4 + NO
Образующийся NO окисляется кислородом
воздуха до NO2 и вновь вовлекается в
реакцию
2NO + O2 = 2NO2

Особенности: катализатор находится в ином
фазовом состоянии по сравнению с реагирующими
веществами.
Пример: в контактном способе получения
серной кислоты окисление SO2 кислородом
осуществляется в присутствии твердого
катализатора (в виде соединения SiO2, K и/или Cs, V
в различных пропорциях).
Начальная стадия – адсорбция реагирующих
веществ на поверхности катализатора с
последующим образованием промежуточных
соединений между молекулами реагента и атомами
(или ионами), расположенными в поверхностном
слое катализатора.

Далее промежуточные продукты, характеризующиеся
гораздо меньшей энергией активации, легко реагирует
друг с другом.
Проведем аналогию:
Учитель физкультуры высоко установил планку для
прыжков в высоту. Лишь немногие учащиеся
(молекулы) имеют достаточно сил (энергии
активации), чтобы её преодолеть. Учитель
(катализатор) опускает планку (снижает энергию
активации): в этом случае уже большее число
учащихся преодолевает барьер.
Следовательно, основная суть катализа – снижение
энергии активации реагирующих веществ.

Биохимические реакции у растений и
животных ускоряются биологическими
катализаторами, называемыми
ферментами. Они представляют собой
либо высокомолекулярные белки, либо
сочетание белков с соединениями
небелковой природы. Например,окисление
сахара в организме протекает примерно в
106 раз быстрее, чем при той же
температуре в водном растворе под
влиянием кислорода. Ферменты отличаются
особой специфичностью, каждый из них ускоряет только "свою" реакцию, идущую в нужное время и в нужном месте с выходом, близким к 100%.

Биологические катализаторы – ферменты, их действие.

Ингибитор — вещество, замедляющие
или предотвращающие течение различных
химических реакций: окисления,
полимеризации, коррозию металлов и др.
Например, гидрохинон — ингибитор
окисления бензальдегида; соединения
технеция — ингибитор коррозии сталей.

Основная функция ингибитора —
образовывать с исходными веществами менее
реакционно-способные промежуточные
соединения и комплексы, позволяющие
увеличить энергию активации химической
реакции.

видео

(прочность химических связей в веществе) Химическая реакция – процесс
перераспределения химических связей между
атомами, в результате которого образуются
новые вещества.
Чем прочнее внутренние химические связи в
веществе, тем труднее оно вступает в реакцию.
Взаимодействие цинка с соляной и уксусной кислотой:
2HCl + Zn = ZnCl2+ H2

2CH3COOH+Zn = (CH3COO)2Zn +H2

Под "природой реагирующих веществ" понимают:
Для веществ молекулярного строения – тип
химических связей в молекулах реагентов, прочность
связей. Чтобы молекула прореагировала, связь в ней
необходимо разорвать.
Для веществ немолекулярного строения (ионный или
атомный кристалл) - строение кристаллической
решетки, ее прочность.
Для веществ, у которых "молекула" состоит из одного
атома (например, металлы, благородные газы) –
строение электронной оболочки атома, прочность
связывания внешних электронов.
Для молекул сложной формы - вероятность
благоприятного для реакции взаимного расположения
реагентов при соударении. Если соударение на левом
рисунке приведет к реакции, то на правом - нет, с
какой бы силой оно ни осуществилось.


Последний фактор называется стерическим,
или геометрическим. Он особенно значим для
реакций с участием таких больших молекул,
как, например, белки. Многие их реакции
происходят лишь в присутствии ферментов.
Одна из функций ферментов как раз состоит в
придании реагентам определенной
конфигурации, удобной для взаимодействия.

Скорость гетерогенной реакции прямо пропорциональна площади поверхности соприкосновения реагентов.
Существует множество гетерогенных
процессов, идущих на поверхности
соприкосновения:
твердого вещества и газа: S + O2 = SO2,
твердого вещества и жидкости:
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2,
двух несмешивающихся жидкостей: C3H7Br + KCN (водн.) = C3H7CN + KBr(водн.)

Твердые вещества, участвующие в гетерогенной
реакции, для увеличения скорости
взаимодействия измельчают, чтобы увеличить
площадь поверхности частиц. 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.

У гетерогенных реакций есть два возможных
режима протекания: кинетический и 
диффузионный. Это обусловлено тем, что для таких
реакций важны стадии притока реагентов к месту
реакции и отвода продуктов.
Винни-Пух способен съедать 1 ложку варенья за
секунду, т.е. скорость поедания варенья составляет
1л./с. Но если Кролик не будет успевать подносить
ему варенье, то скорость поедания варенья снизится
независимо от возможностей Винни-Пуха: при
скорости подачи варенья 1 банка в минуту
(= 30ложек за 60 будет равна скорости его подачи,
т.е. 0,5 л./с.
Так и с химическими реакциями.

Если реагенты подходят друг к другу быстрее,
чем реагируют, то лимитирующей стадией
является собственно реакция, и наблюдается кинетический режим.
Если химическая реакция происходит быстрее,
чем реагенты успевают подходить друг к
другу, то наблюдаемая скорость реакции
определяется не ее механизмом, а скоростью
диффузии реагентов к месту реакции. Это –
диффузионный режим. Прежде чем изучать
кинетику химической реакции, необходимо
убедиться, что она протекает в кинетическом режиме.

Итак: скорость химической реакции определяется как изменение молярной концентрации одного из реагирующих веществ за единицу времени. Скорость химической реакции — величина всегда положительная.
Факторы, влияющие на скорость реакции:

1. Скорость химической реакции зависит от температуры, концентрации реагирующих веществ, их природы и наличия катализатора.
2. Зависимость скорости химической реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа и уравнением Аррениуса.
3. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ представляется законом действующих масс, концентрация твердых веществ не записывается.

Fe3+ + 3CNS- = Fe(CNS)3
V =k[Fe3+]*[CNS-] 3
пусть до разбавления: Х = [Fe3+]
Y = [CNS-]3
V1 =k[Fe3+]*[CNS-] 3 = V1 =k[Х]*[Y]3

В результате разбавления концентрация ионов уменьшается:
x/2 = [Fe3+]/2 y/2 = [CNS-]3/2
V2 = k*(Х/2)*(Y/2)3
V1 _ k[Х]*[Y]3 _ _1__
V2 _ k*(Х/2)*(Y/2)3 _ 1/16

Ответ: в 16 раз
Ответ: V2/V1 = 16

^3 – в степени 3

Vt2/Vt1=?

= 2.5(100-55)/10 =


=254.5 = 43.7



Ответ: скорость реакции
увеличивается в 43.7 раза

= γ3





γ = 4

64=γ =64=γ3

1. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции при повышении температуры на 400С, если температурный коэффициент реакции равен 2?
2. Чему равен температурный коэффициент реакции, если при увеличении температуры на 500 скорость реакции возросла в 32 раза?
3. Гомогенная реакция протекает по простому механизму и выражено уравнением реакции: 2NO + Cl2 = 2NOCl. Как изменится скорость данной реакции, если уменьшить концентрацию оксида азота (II) в 2 раза?
4. Срок хранения автомобильных покрышек при температуре 200 С – 5 лет, а при температуре 100 С – 13 лет. Сколько лет можно хранить покрышки при температуре 50 С?
5. 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.

ЗАДАНИЕ. Если вы не согласны с
утверждением, поставьте знак “-” напротив
номера соответствующего утверждения.
1)Скорость химической реакции не зависит от
природы реагирующих веществ.
2)Скорость химической реакции определяется
изменением концентрации одного из
реагирующих веществ в единицу времени.
3)Повышение температуры увеличивает
скорость экзотермической реакции.
4)Для реакции N2 + O2 = 2NO выражение
V = [kO2] верно.

5)Закон действующих масс: при данной
температуре скорость химической реакции
прямо пропорциональна произведению
концентраций реагирующих веществ.
6)С помощью катализатора можно изменить
скорость реакции, как увеличить, так и
уменьшить.
7)При повышении давления в системе:
Н2 (г) + Сl2 (г) ↔ 2НСl (г)
скорость данной реакции не изменится.
8)Правило Вант-Гоффа: Изменение
температуры на каждые 100 изменяет скорость
большинства реакций в 2-4 раза.

9) Чтобы увеличить скорость реакции в данной
гомогенной газовой системе:
2СО + О2 ↔ 2СО2 ,
следует уменьшить давление.
10)При температурном коэффициенте равном 2 повышении температуры от 400 до 500С увеличит скорость реакции в 4 раза.