Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость. Скорость химической реакции: условия, примеры. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Молекулярность и порядок реакции
Системы. Но данная величина не отражает настоящую возможность протекания реакции, ее скорость и механизм.
Для полноценного представления химической реакции, надо иметь знания о том, какие существуют временные закономерности при ее осуществлении, т.е. скорость химической реакции и ее детальный механизм. Скорость и механизм реакции изучает химическая кинетика – наука о химическом процессе.
С точки зрения химической кинетики, реакции можно классифицировать на простые и сложные .
Простые реакции – процессы, протекающие без образования промежуточных соединений. По количеству частиц, принимающих в ней участие, они делятся на мономолекулярные, бимолекулярные, тримолекулярные. Соударение большего чем 3 числа частиц маловероятно, поэтому тримолекулярные реакции достаточно редки, а четырехмолекулярные — неизвестны. Сложные реакции – процессы, состоящие из нескольких элементарных реакций.
Любой процесс протекает с присущей ему скоростью, которую можно определить по изменениям, происходящим за некий отрезок времени. Среднюю скорость химической реакции выражают изменением количества вещества n израсходованного или полученного вещества в единице объема V за единицу времени t.
υ = ± dn / dt · V
Если вещество расходуется, то ставим знак «-», если накапливается – «+»
При постоянном объеме:
υ = ± dC / dt ,
Единица измерения скорости реакции моль/л·с
В целом, υ — величина постоянная и не зависит от того, за каким участвующим в реакции веществом, мы следим.
Зависимость концентрации реагента или продукта от времени протекания реакции представляют в виде кинетической кривой , которая имеет вид:
Вычислять υ из экспериментальных данных удобнее, если указанные выше выражения преобразовать в следующее выражение:
Закон действующих масс. Порядок и константа скорости реакции
Одна из формулировок закона действующих масс звучит следующим образом: Скорость элементарной гомогенной химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагентов.
Если исследуемый процесс представить в виде:
а А + b В = продукты
то скорость химической реакции можно выразить кинетическим уравнением :
υ = k·[A] a ·[B] b или
υ = k·C a A ·C b B
Здесь [ A ] и [ B ] (C A и C B )- концентрации реагентов,
а и b – стехиометрические коэффициенты простой реакции,
k – константа скорости реакции.
Химический смысл величины k — это скорость реакции при единичных концентрациях. То есть, если концентрации веществ А и В равны 1, то υ = k .
Надо учитывать, что в сложных химических процессах коэффициенты а и b не совпадают со стехиометрическими.
Закон действующих масс выполняется при соблюдении ряда условий:
- Реакция активируется термично, т.е. энергией теплового движения .
- Концентрация реагентов распределена равномерно.
- Свойства и условия среды в ходе процесса не меняются.
- Свойства среды не должны влиять на k .
К сложным процессам закон действия масс применить нельзя. Это можно объяснить тем, что сложный процесс состоит из нескольких элементарных стадий, и его скорость будет определяться не суммарной скоростью всех стадий, лишь одной самой медленной стадией, которя называется лимитирующей .
Каждая реакция имеет свой порядок . Определяют частный (парциальный) порядок по реагенту и общий (полный) порядок . Например, в выражении скорости химической реакции для процесса
а А + b В = продукты
υ = k ·[ A ] a ·[ B ] b
a – порядок по реагенту А
b — порядок по реагенту В
Общий порядок a + b = n
Для простых процессов порядок реакции указывает на количество реагирующих частиц (совпадает со стехиометрическими коэффициентами) и принимает целочисленные значения. Для сложных процессов порядок реакции не совпадает со стехиометрическими коэффициентами и может быть любым.
Определим факторы, влияющие на скорость химической реакции υ.
Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ
определяется законом действующих масс: υ = k [ A ] a ·[ B ] b
Очевидно, что с увеличением концентраций реагирующих веществ, υ увеличивается, т.к. увеличивается число соударений между участвующими в химическом процессе веществами. Причем, важно учитывать порядок реакции: если это n = 1 по некоторому реагенту, то ее скорость прямо пропорциональна концентрации этого вещества. Если по какому-либо реагенту n = 2 , то удвоение его концентрации приведет к росту скорости реакции в 2 2 = 4 раза, а увеличение концентрации в 3 раза ускорит реакцию в 3 2 = 9 раз.
Задания с комментариями и решениями
Пример 23. Увеличению скорости реакции, уравнение которой 2СО + O 2 = 2СO 2 , способствует
1) увеличение концентрации СО
2) уменьшение концентрации O 2
3) понижение давления
4) понижение температуры
Известно, что скорость химической реакции зависит, от следующих факторов:
Природы реагирующих веществ (при прочих равных условиях более активные вещества реагируют быстрее);
Концентрации реагирующих веществ (чем выше концентрация, тем выше скорость реакции);
Температуры (увеличение температуры приводит к ускорению реакций);
Присутствия катализатора (катализатор ускоряет процесс);
Давления (для реакций с участием газов увеличение давления равносильно увеличению концентрации, поэтому скорость реакций с ростом давления увеличивается);
Степени измельчения твердых веществ (чем больше степень измельчения, тем больше площадь поверхности соприкосновения твердых реагентов, и тем выше скорость реакции).
С учетом этих факторов проанализируем предложенные варианты ответов:
1) увеличение концентрации СО (исходного вещества) действительно приведет к увеличению скорости химической реакции;
2) уменьшение концентрации O 2 приведет не к увеличению, а к уменьшению скорости реакции;
3) снижение давления по своей сути то же самое, что и уменьшение концентрации реагентов, следовательно - скорость реакции тоже уменьшится;
4) снижение температуры всегда приводит к уменьшению скорости химической реакции.
Пример 24. Увеличению скорости реакции между железом и соляной кислотой способствует
1) добавление ингибитора
2) понижение температуры
3) повышение давления
4) увеличение концентрации НСl
Прежде всего, запишем уравнение реакции:
Проанализируем предложенные варианты ответов. Известно, что добавление ингибитора уменьшает скорость реакций, аналогичное влияние оказывает и уменьшение температуры. Изменение давления не сказывается на скорости данной реакции (т.к. среди реагентов нет газообразных веществ). Следовательно, для увеличения скорости реакции следует увеличить концентрацию одного из реагентов, а именно соляной кислоты.
Пример 25. На скорость реакции между уксусной кислотой и этанолом не влияет
1) катализатор
2) температура
3) концентрация исходных веществ
4) давление
Уксусная кислота и этанол - жидкости. Поэтому на скорость реакции между этими веществами изменение давления не влияет, т.к. этот фактор оказывает воздействие только на реакции с участием газообразных веществ.
Пример 26. С наибольшей скоростью с водородом реагирует
4) углерод
Углерод и сера относятся к малоактивным неметаллам. При нагревании их активность заметно возрастает, при высокой температуре газообразный водород будет взаимодействовать с твердой серой (температура плавления серы 444 °С) и твердым углеродом. Химическая активность галогенов намного больше, чем других неметаллов (при прочих равных условиях). Самый активный среди галогенов - фтор. Как известно, в атмосфере фтора сгорают даже такие устойчивые вещества, как вода и стекловолокно. И действительно, водород с хлором взаимодействуют или при нагревании, или при ярком освещении, а фтор с водородом взрывается в любых условиях (даже при очень низких температурах).
Задания для самостоятельной работы
79. С наибольшей скоростью соляная кислота взаимодействует с
2) гидроксидом натрия (р-р)
3) железом
4) карбонатом железа(II)
80. Скорость реакции увеличивается при
1) повышении концентрации СО
2) понижении температуры
3) повышении давления
4) повышении температуры
5) измельчении реагентов
81.
А. Взаимодействие азота с водородом быстрее осуществляется при высоком давлении.
Б. Скорость реакции зависит от температуры.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба утверждения
4) оба суждения неверны
82. С наибольшей скоростью при комнатной температуре взаимодействуют
83.
Скорость реакции 
увеличится при
1) увеличении концентрации сернистого газа
2) повышении температуры
3) понижении температуры
4) увеличении давления
5) уменьшении концентрации кислорода
84. На скорость химической реакции между раствором серной кислоты и железом не оказывает влияния
1) увеличение концентрации кислоты
2) изменение объема сосуда
3) повышение температуры реакции
4) увеличение давления
5) измельчение железа
85. С наименьшей скоростью происходит реакция между водой и
1) натрием
2) кальцием
3) магнием
86. С наибольшей скоростью взаимодействуют
87. Скорость реакции, схема которой увеличивается при
1) повышении концентрации ионов железа
2) уменьшении концентрации ионов железа
3) понижении температуры
4) увеличении концентрации кислоты
5) измельчении железа
88. Верны ли следующие суждения о скорости химической реакции?
А. Скорость взаимодействия цинка с кислородом зависит от давления кислорода в системе.
Б. При увеличении температуры на 10°С скорость большинства реакций возрастает в 2-4 раза.
1) верно только А
2) верно, только Б
3) верны оба утверждения
4) оба суждения неверны
89. На скорость реакции не влияет изменение
1) концентрации соляной кислоты
2) давления
3) концентрации хлорида натрия
4) концентрации сульфита натрия
5) температуры
90. При обычных условиях с наибольшей скоростью протекает реакция, уравнение/схема которой
91. Верны ли следующие суждения о скорости химической реакции?
А. Взаимодействие кислорода с цинком протекает с большей скоростью, чем с медью.
Б. Скорость реакции в растворе зависит от концентрации реагентов.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба утверждения
4) оба суждения неверны
92. С наименьшей скоростью при комнатной температуре взаимодействуют
1) сульфат меди (р-р) и гидроксид натрия (р-р)
2) натрий и вода
3) кислород и цинк
4) серная кислота (р-р) и карбонат кальция (тв)
93. Верны ли следующие суждения о скорости химической реакции?
А. Взаимодействие цинка с соляной кислотой протекает с большей скоростью, чем с ортофосфорной кислой той же концентрации.
Б. Скорость реакции в растворе зависит от объёма сосуда, в котором проводят реакцию.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба утверждения
4) оба суждения неверны
Мы постоянно сталкиваемся с различными химическими взаимодействиями. Сгорание природного газа, ржавление железа, скисание молока - далеко не все процессы, которые подробно изучаются в школьном курсе химии.
Для протекания одних реакций требуются доли секунд, а для некоторых взаимодействий нужны дни и недели.
Попробуем выявить зависимость скорости реакции от температуры, концентрации, иных факторов. В новом образовательном стандарте на данный вопрос отводится минимальное количество учебного времени. В тестах единого государственного экзамена есть задания на зависимость скорости реакции от температуры, концентрации и даже предлагаются расчетные задачи. Многие старшеклассники испытывают определенные сложности с поиском ответов на эти вопросы, поэтому подробно проанализируем данную тему.
Актуальность рассматриваемого вопроса
Информация о скорости реакции имеет важное практическое и научное значение. К примеру, в конкретном производстве веществ и продуктов от данной величины напрямую зависит производительность аппаратуры, стоимость товаров.
Классификация протекающих реакций
Существует прямая зависимость между агрегатным состоянием исходных компонентов и продуктов, образующихся в ходе гетерогенные взаимодействия.
Под системой принято подразумевать в химии вещество либо их совокупность.
Гомогенной считают такую систему, которая состоит из одной фазы (одинакового агрегатного состояния). В качестве ее примера можно упомянуть смесь газов, несколько различных жидкостей.
Гетерогенной является система, в которой реагирующие вещества находятся в виде газов и жидкостей, твердых тел и газов.
Существует не только зависимость скорости реакции от температуры, но и от того, в какой фазе используются компоненты, вступающие в анализируемое взаимодействие.
Для однородного состава характерно протекание процесса по всему объему, что существенно повышает его качество.
Если исходные вещества находятся в разных фазовых состояниях, в таком случае максимальное взаимодействие наблюдается на границе раздела фаз. К примеру, при растворении активного металла в кислоте, образование продукта (соли) наблюдается только на поверхности их соприкосновения.
Математическая зависимость между скоростью процесса и различными факторами
Как выглядит уравнение зависимости скорости химической реакции от температуры? Для гомогенного процесса скорость определяется количеством вещества, которое вступает во взаимодействие либо образуется в ходе реакции в объеме системы за единицу времени.
Для гетерогенного процесса скорость определяется через количество вещества, реагирующего либо получаемого в процессе на единице площади за минимальный промежуток времени.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
Природа реагирующих веществ - одна из причин разной скорости протекания процессов. Например, щелочные металлы при комнатной температуре образуют с водой щелочи, причем процесс сопровождается интенсивным выделением газообразного водорода. Благородные металлы (золото, платина, серебро) не способны к подобным процессам ни при комнатной температуре, ни при нагревании.
Природа реагирующих веществ - тот фактор, который учитывают в химической промышленности, чтобы повысить рентабельность производства.
Выявлена зависимость между концентрацией реагентов и быстротой протекания химической реакции. Чем она будет выше, тем больше частиц будет сталкиваться, следовательно, процесс будет протекать быстрее.
Закон действующих масс в математическом виде описывает прямо пропорциональную зависимость между концентрацией исходных веществ и быстротой протекания процесса.
Он был сформулирован в середине девятнадцатого века русским химиком Н. Н. Бекетовым. Для каждого процесса определяется константа реакции, которая не связана ни с температурой, ни с концентрацией, ни с природой реагирующих веществ.
Для того чтобы ускорить реакцию, в которой участвует твердое вещество, нужно измельчить его до порошкообразного состояния.
При этом происходит возрастание площади поверхности, что позитивно сказывается на быстроте протекания процесса. Для дизельного топлива применяют специальную систему впрыска, благодаря чему при соприкосновении ее с воздухом скорость процесса сгорания смеси углеводородов существенно возрастает.
Нагревание
Зависимость скорости химической реакции от температуры объясняется молекулярно-кинетической теорией. Она позволяет провести расчет количества соударений между молекулами реагентов при определенных условиях. Если вооружиться подобной информацией, то при обычных условиях все процессы должны протекать мгновенно.
Но если рассмотреть конкретный пример зависимости скорости реакции от температуры, оказывается, что для взаимодействия необходимо сначала разорвать химические связи между атомами, чтобы из них образовались новые вещества. Это требует существенных затрат энергии. Какова зависимость скорости реакции от температуры? Энергия активации определяет возможность разрыва молекул, именно она характеризует реальность процессов. Ее единицами измерения является кДж/моль.
При недостаточном показателе энергии столкновение будет малоэффективным, поэтому оно не сопровождается образованием новой молекулы.
Графическое представление
Зависимость скорости химической реакции от температуры можно представить графически. При нагревании число столкновений между частицами возрастает, что способствует ускорению взаимодействия.
Как выглядит график зависимости скорости реакции от температуры? По горизонтали откладывается энергия молекул, а по вертикали указывается число частиц, имеющих высокий энергетический запас. Графиком является кривая, по которой можно судить о скорости протекания конкретного взаимодействия.
Чем больше будет отличие энергии от среднего показателя, тем дальше располагается от максимума точка кривой, и меньший процент молекул имеет такой запас энергии.
Важные аспекты
Можно ли записать уравнение зависимости константы скорости реакции от температуры? Ее повышение отражается на увеличении скорости процесса. Такая зависимость характеризуется определенной величиной, называемой температурным коэффициентом скорости процесса.
Для любого взаимодействия выявлена зависимость константы скорости реакции от температуры. В случае ее повышения на 10 градусов происходит увеличение скорости процесса в 2-4 раза.
Зависимость скорости гомогенных реакций от температуры можно представить в математическом виде.
Для большинства взаимодействий при комнатной температуре коэффициент находится в диапазоне от 2 до 4. К примеру, при значении температурного коэффициента 2,9 рост температуры на 100 градусов ускоряет процесс почти в 50000 раз.
Зависимость скорости реакции от температуры легко можно объяснить разной величиной энергии активации. Минимальную величину она имеет при проведении ионных процессов, которые определяются только взаимодействием катионов и анионов. Многочисленные эксперименты свидетельствуют о мгновенном протекании подобных реакций.
При высоком значении энергии активации лишь незначительное количество столкновений между частицами будет приводить к осуществлению взаимодействия. При среднем значении энергии активации, реагенты будут взаимодействовать со средней скоростью.
Задания на зависимость скорости реакции от концентрации и температуры рассматриваются только на старшей ступени обучения, часто вызывают у ребят серьезные затруднения.
Измерение быстроты протекания процесса
Те процессы, которые нуждаются в существенной энергии активации, предполагают первоначальный разрыв либо ослабление связей между атомами в исходных веществах. При этом происходит их переход в некое промежуточное состояние, именуемое активированным комплексом. Он является неустойчивым состоянием, довольно быстро распадается на продукты реакции, процесс сопровождается выделением дополнительной энергии.
В простейшем варианте активированный комплекс является конфигурацией атомов с ослабленными старыми связями.
Ингибиторы и катализаторы
Проанализируем зависимость скорости ферментативной реакции от температуры среды. Такие вещества осуществляют функцию ускорителей процесса.
Сами они не являются участниками взаимодействия, их количество после завершения процесса остается без изменений. Если катализаторы способствуют увеличению скорости реакции, то ингибиторы, напротив, замедляют этот процесс.
Суть этого заключается в образовании промежуточных соединений, в результате чего и наблюдается изменение быстроты протекания процесса.
Заключение
В мире ежеминутно происходят разнообразные химические взаимодействия. Как установить зависимость скорости реакции от температуры? Уравнение Аррениуса является математическим объяснением связи константы скорости и температуры. Оно дает представление о тех значениях энергии активации, при которых возможно разрушение либо ослабление связей между атомами в молекулах, распределение частиц в новые химические вещества.
Благодаря молекулярно-кинетической теории можно предсказывать вероятность протекания взаимодействий между исходными компонентами, рассчитывать скорость протекания процесса. Среди тех факторов, которые оказывают воздействие на скорость реакции, особое значение имеет изменение температурного показателя, процентной концентрации взаимодействующих веществ, площадь поверхности соприкосновения, присутствие катализатора (ингибитора), а также природа взаимодействующих компонентов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Химическая кинетика – учение о скоростях и механизмах химических реакций.
Изучение скоростей протекания реакций, получение данных о факторах, влияющих на скорость химической реакции, а также изучение механизмов химических реакций осуществляют экспериментально.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Скорость химической реакции – изменение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени при неизменном объеме системы.
Скорость гомогенной и гетерогенной реакций определяются различно.
Определение меры скорости химической реакции можно записать в математической форме. Пусть – скорость химической реакции в гомогенной системе, n B – число моле какого-либо из получающихся при реакции веществ, V – объем системы, – время. Тогда в пределе:
Это уравнение можно упростить – отношение количества вещества к объему представляет собой молярную концентрацию вещества n B /V = c B , откуда dn B / V = dc B и окончательно:
На практике измеряют концентрации одного или нескольких веществ в определенные промежутки времени. Концентрации исходных веществ со временем уменьшаются, а концентрации продуктов – увеличиваются (рис. 1).
Рис. 1. Изменение концентрации исходного вещества (а) и продукта реакции (б) со временем
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
Факторами, оказывающими влияние на скорость химической реакции, являются: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов, давление и объем (в газовой фазе).
С влиянием концентрации на скорость химической реакции связан основной закон химической кинетики – закон действующих масс (ЗДМ): скорость химической реакции прямопропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени их стехиометрических коэффициентов. ЗДМ не учитывает концентрацию веществ в твердой фазе в гетерогенных системах.
Для реакции mA +nB = pC +qD математическое выражение ЗДМ будет записываться:
K × C A m × C B n
K × [A] m × [B] n ,
где k – константа скорости химической реакции, представляющая собой скорость химической реакции при концентрации реагирующих веществ 1моль/л. В отличие от скорости химической реакции, k не зависит от концентрации реагирующих веществ. Чем выше k, тем быстрее протекает реакция.
Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа. Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые десять градусов скорость большинства химических реакций увеличивается примерно в 2 – 4 раза. Математическое выражение:
(T 2) = (T 1) × (T2-T1)/10 ,
где – температурный коэффициент Вант-Гоффа, показывающий во сколько раз увеличилась скорость реакции при повышении температуры на 10 o С.
Молекулярность и порядок реакции
Молекулярность реакции определяется минимальным числом молекул, одновременно вступающих во взаимодействие (участвующих в элементарном акте). Различают:
— мономолекулярные реакции (примером могут служить реакции разложения)
N 2 O 5 = 2NO 2 + 1/2O 2
K × C, -dC/dt = kC
Однако, не все реакции, подчиняющиеся этому уравнению мономолекулярны.
— бимолекулярные
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH = CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O
K × C 1 × C 2 , -dC/dt = k × C 1 × C 2
— тримолекулярные (встречаются очень редко).
Молекулярность реакции определяется ее истинным механизмом. По записи уравнения реакции определить ее молекулярность нельзя.
Порядок реакции определяется по виду кинетического уравнения реакции. Он равен сумме показателей степеней концентрации в этом уравнении. Например:
CaCO 3 = CaO + CO 2
K × C 1 2 × C 2 – третий порядок
Порядок реакции может быть дробным. В таком случае он определяется экспериментально. Если реакция протекает в одну стадию, то порядок реакции и ее молекулярность совпадают, если в несколько стадий, то порядок определяется самой медленной стадией и равен молекулярности этой реакции.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Реакция протекает по уравнению 2А + В = 4С. Начальная концентрация вещества А 0,15 моль/л, а через 20 секунд – 0,12 моль/л. Вычислите среднюю скорость реакции. |
| Решение | Запишем формулу для вычисления средней скорости химической реакции:
|