КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Скорость реакции
Реакции протекают при столкновении между собой молекул реагирующих веществ. Скорость реакции определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а возможность реакции – энергией сталкивающихся молекул. Скорость химической реакции – это изменение концентраций (DC) реагирующих веществ за единицу времени (t):
Знак «+» ставится, если скорость определяется по образующемуся продукту, а знак «–» – по расходу исходного вещества. В зависимости от количества фаз все системы и протекающие в них реакции делятся на гомогенные и гетерогенные. Система – тело или группа тел, мысленно обособленных от окружающей среды. Фаза – часть системы отделенная от других фаз поверхностью раздела. Гомогенные реакции протекают в одной фазе. Н апример, реакция Гетерогенные реакции протекают на поверхности раздела фаз. Примером гетерогенной реакции может служить реакция горения угля, протекающая на границе уголь – кислород (система, состоящая из двух фаз) С(к) + О2(г) = СО2(г). Основные факторы, влияющие на скорость реакции: 1) Природа реагирующих веществ. Вещества с ионными связями (электролиты) реагируют практически мгновенно, а с ковалентными связями (органические соединения) медленно. 2) Концентрация реагирующих веществ. 3) Температура реакции. 4) Наличие веществ ускоряющих или замедляющих реакцию. Рассмотрим влияние концентрации. С увеличением концентрации скорость реакции возрастает, так как чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ. Количественно эта зависимость определяется законом действующих масс.
Закон действующих масс – скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных коэффициентам этих веществ в уравнении реакции. Для гомогенной реакции mА + nВ = С уравнение имеет вид: Входящая в уравнение константа скорости (k) – это скорость реакции при концентрациях реагирующих веществ равных единице. Примеры Записать выражение закона действующих масс для следующих реакций: 1) H2(г) + I2(г) = 2НI (г); 2) 2C(к) + O2(г) = 2CO(г). Решение 1) Данная система является гомогенной, поэтому в формулу будут входить концентрации всех компонентов: V = k[H2][I2]. 2) Данная система является гетерогенной, поэтому в формулу будут входить только концентрация газообразного вещества: V = k[О2]. Скорость реакции не зависит от количества взятого углерода, а от поверхности его соприкосновения с кислородом. В случае измельчения угля скорость реакции будет возрастать Рассмотрим влияние температуры на скорость химической реакции Правило Вант-Гоффа – при повышении температуры на каждые десять градусов скорость гомогенных химических реакций возрастает в
где VТ2 и VТ1 – скорости реакции при температурах Т2 и Т1; γ – температурный коэффициент скорости данной реакции. Например, если γ = 2, то при увеличении температуры на 100 градусов скорость реакции должна увеличиться в 210 = 1024 раза. Причина влияния температуры на скорость реакции заключается втом,
что реагируют не все частицы, а только частицы, обладающие достаточной для реакции энергией. При повышении температуры реакционной смеси доля таких частиц возрастает. Распределение частиц по значениям энергии в зависимости от температуры приведено на рисунке 11.1. Рисунок 11.1 – Распределение частиц по значениям кинетической энергии при различных температурах, где Т1 и Т2 значения температур, при этом Т1< Т2; Е'1 и Е'2 – наиболее вероятные значения энергии частиц при температурах соответственно Т1 и Т2; Еа – минимальная энергия частиц, необходимая для протекания реакции. Общее число частиц в системе (N) равно площади под кривой. Число частиц с энергией большей, чем Еа равно заштрихованной площади. Из рисунка 11.1 видно, что при увеличении температуры распределение частиц по энергиям меняется так, что увеличивается доля частиц с энергией большей, чем Еа. Энергия активации – это избыточное количество энергии (по сравнению со средней величиной), которой должна обладать молекула в момент столкновения, чтобы быть способной к данному химическому взаимодействию. В расчете на 1 моль размерность энергии активации кДж/моль. Для реакций, протекающих с заметной скоростью, энергия активации не превышает 50 кДж/моль, а для ионно-обменных реакций, протекающих практически мгновенно, Ea» 0. В 1889 г. С. Аррениус привел уравнение зависимости константы скорости химической реакции от температуры:
где A – предэкспотенциальный множитель, зависящий от природы реагирующих веществ; R – газовая постоянная; Ea – энергия активации. Из уравнения Аррениуса следует, что константа скорости реакции уменьшается с увеличением энергии активации. На рисунке 11.2 показана зависимость изменения потенциальной энергии реагирующей системы от пути протекания реакции.
Рисунок 11.2 – Энергетическая диаграмма химической реакции А – исходные вещества, В – переходное состояние (активированный комплекс), С – продукты реакции. Из приведенного рисунка видно, что для экзотермической реакции (идущей с выделением теплоты) убыль активных молекул восполняется за счет энергии, выделяющейся в ходе реакции. В случае эндотермической реакции для поддержания необходимой скорости реакции требуется подвод тепла.
Наличие веществ ускоряющих или замедляющих реакции. В зависимости от оказываемого воздействия добавляемые вещества могут ускорять реакции – катализаторы или замедлять – ингибиторы. Катализатор – это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само после реакции остаётся в неизменном виде. Катализатор изменяет путь реакции, проводя ее через промежуточные стадии с меньшими значениями энергий активации. Схему реакции без катализа между веществами А и В с образованием продукта D можно представить в следующем виде: А + В = D, а в присутствии катализатора К путь реакции меняется: A + B + K ® AK + B ® AKB ® D + K. Особенностью катализатора является селективность, т.е. способность ускорять только определенные реакции. Высокой селективностью обладают биокатализаторы (ферменты) – катализаторы реакций в живых системах. Ингибитор – вещество, замедляющее химическую реакцию. На практике иногда необходимо замедлять реакции (коррозия металлов и др.). Это достигается введением в реакционную систему ингибиторов. Например, уротропин является ингибитором коррозии железа в кислой среде. Промотор – вещество, повышающие активность катализатора. При этом промоторы могут сами и не обладать каталитическими свойствами. Каталитические яды – примеси в реакционной смеси, приводящие к частичной или полной потере активности катализатора. Так, следы мышьяка, фосфора вызывают быструю потерю активности катализатором V2O5 при контактном способе получения H2SO4. 11.2 Химическое равновесие В химических реакциях исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит потому, что по мере накопления продуктов реакции могут создаваться условия для протекания обратной реакции. Большинство химических реакций являются обратимыми. В качестве примера проанализируем обратимую реакцию
H2(г) + I2(г) = 2НI (г). прямая реакция – H2(г) + I2(г) → 2НI(г), обратная реакция – 2НI (г) →. H2(г) + I2(г), обратимая реакция – H2(г) + I2(г) «2НI(г). Прямая и обратная реакции являются отдельными реакциями с соответствующими им кинетическими закономерностями.
Константа равновесия Количественной характеристикой обратимых реакций является константа равновесия, которая определяется при достижении системой химического равновесия. Выведем константу равновесия для реакции H2(г) + I2(г) «2НI(г). Для прямой реакции H2(г) + I2(г) «2НI(г) кинетическое уравнение имеет вид: Vпр. = Кпр.[Н2][I2]. Для обратной реакции 2НI (г) →. H2(г) + I2(г) кинетическое уравнение имеет вид: Vобр. = Кобр.[НI]2. В состоянии химического равновесия скорости прямой и обратной реакций равны (Vпр. = Vобр.). Подставляя в условие химического равновесия выражения скоростей прямой и обратной реакций получаем следующее равенство: Кпр.[Н2][I2] = Кобр.[НI]2. После преобразования получаем . В случае гетерогенной реакции, например, СаСО3 ↔ СаО + СО2↑. Выражение константы равновесия имеет вид Кр = [СО2], то есть константа равновесия зависит в данной реакции только от концентрации газообразного вещества. Чем больше константа равновесия, тем больше равновесие смещено в сторону прямой реакции. Константа равновесия зависит от температуры и природы реагирующих веществ. Химическое равновесие имеет динамический характер. Прямая и обратная реакции при равновесии не прекращаются. Влияние различных факторов на смещение равновесия согласуется с принципом Ле Шателье. Принцип Ле Шателье – если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывается внешнее воздействие, то в результате протекающих в системе процессов равновесие сместится таким образом, что оказанное воздействие уменьшится. Принцип Ле Шателье универсален, так как применим не только к химическим процессам, но и к различным физико-химическим процессам. Рассмотрим влияние изменения концентраций, давления и температуры на смещение равновесия некоторых обратимых реакций. Влияние концентраций реагирующих веществ Если в равновесную систему 2N2 + 3H2 «2NH3 добавить N2 или H2, то равновесие сместится вправо, т.е. выход NH3 увеличится. При увеличении концентрации NH3 равновесие соответственно сместится влево. Влияние давления Изменение давления влияет на равновесие реакций с участием газообразные вещества. Если в системе, находящейся в состоянии химического равновесия, увеличить давление, то равновесие сместится в сторону той реакции, газообразные продукты которой занимают меньший объем, а в случае уменьшения давления – наоборот. Примеры 1) Как повлияет увеличение давления на смещение равновесия реакции N2 + 3H2«2NH3? Решение: Из уравнения реакции видно, что из 4 моль газа исходных веществ образуется 2 моль газа продуктов реакции. Таким образом, при увеличении давления равновесие сместится в сторону прямой реакции, так как она приводит к уменьшению давления. 2) Как повлияет изменение давления на смещение равновесия реакции СO2(г) + H2(г) «CO(г) + H2O(г)? Решение Из уравнения реакции видно, что из 2 моль газа исходных веществ образуется 2 моль газа продуктов реакции. Таким образом, изменение давления не повлияет на равновесие данной реакции. Влияние температуры Если реакционную смесь, находящуюся в состоянии химического равновесия, нагреть, то в соответствии с принципом Ле Шателье должна преимущественно протекать реакция с поглощением тепла, т.е. эндотермическая реакция, а при охлаждении смеси должна преимущественно протекать реакция с выделением тепла, т.е. экзотермическая реакция. Пример Как следует изменить температуру реакции 2N2 + 3H2 «2NH3 ΔН0298 = – 92 кДж для увеличения выхода аммиака? Решение: Реакция экзотермическая, поэтому при увеличении температуры равновесие сдвигается влево, а при понижении температуры – вправо. Из этого следует, что для увеличения выхода аммиака температуру необходимо понижать. На практике выдерживают температуру ~500 оС, так как при более низкой температуре резко снижается скорость достижения равновесия. 12 Строение атома
Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 900; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |