Природа речовин, що реагують

ПЛАН

1. Швидкість і константа швидкості хімічної реакції.

2. Залежність швидкості реакції від температури. Енергія активації.

3. Складні реакції. Ланцюгові реакції.

4. Фотохімічні реакції.

5. Каталіз і каталізатори.

6. Ферментативний каталіз.

ВИВЧИВШИ ТЕМУ, ВИ ПОВИННІ:

Знати:

P швидкість хімічної реакції, її залежність від концентрації реагуючих речовин та температури;

P константу швидкості, правило Вант-Гоффа;

P енергію активації;

P складні реакції;

P фотохімічні реакції, їх характеристику;

P ферментативний каталіз;

P ланцюгові реакції;

P каталіз гомогенний і гетерогенний, стадії каталізу.

Вміти:

P розраховувати константу швидкості реакції, швидкість гомогенної реакції;

P зміну швидкості за правилом Вант-Гоффа;

P визначити константу швидкості реакції.

1. ШВИДКІСТЬ І КОНСТАНТА ШВИДКОСТІ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ

Застосування законів термодинаміки дозволяє розраховувати можливість протікання хімічної реакції, її енергетичний ефект. Але питання про те, з якою швидкістю відбувається хімічна реакція, термодинамікою не розглядається. Багато хімічних реакцій, які згідно законів термодинаміки, повинні протікати практично до кінця, тяжко дослідити, так як на практиці вони відбуваються з дуже малими швидкостями.

Наприклад, вуглець при звичайних температурах не горить в атмосфері сухого повітря, хоча реакція:

С_(т) + О_{2 (г)} = СО_{2 (г)}

характеризується дуже великим зменшенням енергії Гіббса.

Самовільна реакція окиснення алюмінію у повітрі повністю гальмується внаслідок утворення на його поверхні оксидної плівки:

4А1 + 3О₂ = 2А1₂О₃,

що не дає можливості подальшому доступу кисню до алюмінію.

Будь-яка хімічна реакція супроводжується розриванням старих хімічних зв’язків між частинками і утворенням нових. При цьому відбувається перерозподіл валентних електронів, який може здійснюватись лише в тому випадку, коли реагуючі атоми, іони або молекули наближаються на відстань, що приблизно дорівнює радіусу цих частинок. Тому хімічні перетворення відбуваються при зіткненні частинок, що рухаються.

Хімічною кінетикою називається наука, що вивчає швидкість і механізм хімічних реакцій, а також вплив на швидкість реакцій різних факторів (концентрації реагуючих речовин, температури, тиску, світла, каталізаторів тощо).

Предметом хімічної кінетики є вивчення законів, що визначають залежність швидкості хімічної реакції від різних факторів.

Хімічні реакції можуть протікати з різними швидкостями. Деякі реакції протікають майже миттєво, за тисячні долі секунди. До них відносяться, наприклад, реакції розкладання вибухових речовин. Інші ж реакції протікають досить повільно. Реакції, що йдуть в земній корі - геохімічні процеси – здійснюються протягом тисячоліть.

Так водень з киснем при звичайній температурі взаємодіють так повільно, що знадобиться мільйони років, щоб можна було помітити появу води. Одна і та ж реакція в залежності від умов її проведення може йти з різними швидкостями.

Питання про швидкість хімічної реакції має велике практичне і теоретичне значення. Від швидкості реакцій залежить перебіг біохімічних процесів в організмі, фізико-хімічні зміни харчових продуктів при тепловій обробці, продуктивність технологічного обладнання тощо. Якби, наприклад, горіння вугілля в печах відбувалося зі швидкістю вибуху, а процес гідролізу крохмалю в тісті йшов би роки, тоді ці два процеси неможливо було б застосовувати на практиці.

Тому в деяких випадках бажано прискорити процес, тобто збільшити швидкість реакції, щоб одержати за одиницю часу більшу кількість необхідного продукту. А іноді виникає потреба зменшити швидкість хімічної реакції, наприклад, сповільнити процес окислення жирів в харчових продуктах. Всі ці задачі можна розв’язати, застосувавши закони хімічної кінетики. Знання швидкості реакції, а також чинників, від яких вона залежить, уміння її передбачати та обчислювати необхідні інженерам та технологам для того, щоб регулювати перебіг реакцій, уповільнювати небажані й прискорювати ті, що потрібно здійснювати.

Швидкість хімічних реакцій визначає протікання біологічних процесів, процесів, що пов’язані із зберіганням, переробкою харчової сировини і технологічними процесами приготування їжі.

Під швидкістю реакції розуміють зміну концентрації реагуючих речовин за одиницю часу.

При цьому немає значення, зміна концентрацій якої речовини контролюється в ході реакції, так як всі реагенти і продукти пов’язані між собою рівнянням реакції, і тому за зміною концентрації однієї із речовин можна робити висновок про зміну концентрації всіх інших. Швидкість хімічної реакції виражають в моль/(л∙с)

Концентрацію виражають числом молей речовини, що міститься в 1л розчину. А час виражають в секундах або хвилинах. Щоб розрахувати швидкість реакції, необхідно знати, наскільки змінилася концентрація однієї з речовин за певний проміжок часу.

ύ = ±(С₁ – С₂)/ (τ₂ – τ₁) = ± ΔС/ Δτ, (4.1)

де ΔС – зміна концентрації реагуючої речовини за проміжок часу Δτ.

Наприклад, в деякий момент часу концентрація однієї з речовин С₁=1моль/л. Через τ = 1 хв. вона стала С₂ = 0,6 моль / л. Таким чином концентрація за 1 хв. зменшилася на ∆С = С₁- С₂ = 1 – 0,6 = 0,4 (моль/л). Зменшення концентрації 0,4(моль/л) показує, що з тієї кількості даної речовини, яка містилася в 1л протягом 1 хв. прореагувало 0,4 моль. Тобто швидкість даної реакції дорівнює:

0,4 моль

V = 1 = 0,4 л· хв

Оскільки швидкість реакції завжди позитивна, а зміна концентрації вихідних речовин негативна (бо їх концентрація зменшується), то в правій частині рівняння (4.1) ставлять знак “─”. А для продуктів реакції зміна концентрації і похідна позитивні, тому в рівнянні (4.1) ставлять знак “+”.

Частіше, однак, швидкість реакції змінюється по мірі її протікання і тому необхідно визначати її миттєву (істинну) швидкість.

Миттєва швидкість хімічної реакції – це похідна концентрації за часом. ύ = ± dc/dτ

На швидкість хімічної реакції впливають різні чинники, з яких найважливішими є природа реагуючих речовин, їх концентрація, температура, агрегатний стан речовин, тиск і присутність каталізатору.

Фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції

Природа реагуючих речовин

Площа поверхні реагуючих речовин

Концентрація реагуючих речовин

Температура

Тиск (для газів)

Наявність каталізатора

Агрегатний стан речовин

У процесі хімічних реакцій відбуваються руйнування хімічних зв’язків, а їхня міцність впливає на швидкість цих реакцій. Відомо, що метали неоднаково поводяться в хімічних реакціях. Про це свідчить їхній ряд активності. Наприклад, швидкість реакції металів з водою залежить від активності металу. Na (активний метал) дуже енергійно взаємодіє з водою, реакція може перебігати навіть із вибухом за звичайних умов. А от цинк (менш активний метал) реагує з водою лише при нагріванні, за звичайних умов зміни не спостерігаються.

Як правило, речовини з іонними або ковалентними полярними зв’язками реагують миттєво; з малополярними зв’язками – повільніше. Це пояснює досить низьку швидкість реакцій за участю органічних речовин. Наприклад, цинк реагує з хлоридною кислотою швидше ніж з ацетатною. Швидкість технологічних процесів також залежить від природи речовин, що входять до складу продуктів харчування. Тому спостерігається різний термін часу при варінні круп, різна ступінь доведення до готовності м’яса різних тварин.

Дата добавления: 2014-11-29