Определение скорости хим реакции. Формула скорости химической реакции. Скорость химических реакций. Химическое равновесие

§ 16. СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

где с1 и c2 – концентрации одного из реагирующих или образующихся веществ в моменты времени t1 и t2. Если скорость реакции характеризуют изменением концен трации исходного вещества, то t2 > t1, a с2 < c1 (концен трация исходных веществ убывает по мере протекания реакции). Поскольку скорость реакции имеет поло жительное значение, перед дробью следует поставить знак минус. При определении скорости реакции по возрастающей концентрации образующихся веществ величина дроби Δc/Δt получается положительной, перед дробью следует поставить знак плюс.

Знание скоростей химических реакций имеет очень большое практическое и научное значение. Например, в химической промышленности от скорости химиче ской реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта и, в конечном итоге, зарплата работников и себестои мость продукции.

Раздел химии, изучающий скорость химических реакций, называется химической кинетикой . Зная ее законы, человек получает возможность управлять скоростью химических процессов.
Данное выше определение и соответствующая ему формула скорости химической реакции справедливы для гомогенных реакций .
Если реакция гетерогенная , то она может идти только на поверхности раздела реагирующих веществ. В этом случае скорость химической реакции будет определяться площадью поверхности соприкосновения веществ.
Зависимость скорости гетерогенной реакции от величины поверхности соприкосновения реагирующих веществ показана на рис. 11. В химических стаканах налиты одинаковые объемы соляной кислоты одинаковой концентрации. На часовых стеклах находится мрамор одинаковой массы: для первого опыта кусочек, для второго – порошок.

Рис. 11. Зависимость скорости химической реакции
от площади соприкосновения реагирующих веществ

Скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ .
На рис. 12 показано взаимодействие двух щелочных металлов – лития и калия с водой. Калий взаимодействует с водой очень бурно и настолько энергично, что даже воспламеняется.

Рис. 12. Зависимость скорости химической реакции
от природы веществ: калий (а) взаимодействует с водой
более энергично, чем литий (б)

Следующим важнейшим фактором, влияющим на скорость химической реакции, является концентрация реагирующих веществ.
Проделаем опыт, показывающий это влияние. Нальем в три пробирки раствор тиосульфата натрия. В первую пробирку – 3 мл, во вторую – 2 мл, и в третью – 1 мл. Затем прильем во все пробирки воды так, чтобы уровень растворов тиосульфата в них стал одинаковым – 5 мл: то есть в первую пробирку прильем 2 мл воды, во вторую – 3 мл, а в третью – 4 мл.
Понятно, что наибольшей концентрация раствора тиосульфата будет в первой пробирке, а наименьшей - в третьей. Теперь быстро прильем в каждую пробирку (начиная с третьей) по 2 мл раствора серной кислоты и проследим за выпадением осадка серы. Раньше всего он образуется там, где выше концентрация тиосульфата, т.е. в первой пробирке. Это и понятно. Ведь для химического взаимодействия серной кислоты и тиосульфата необходимо, чтобы частички (ионы), из которых они состоят, столкнулись. Чем больше число столкновений, тем быстрее протекает реакция. А число столкновений тем больше, чем больше концентрация реагирующих веществ.
Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа (1884).
При изменении (повышении или понижении) температуры на каждые 10 °С скорость реакции соответственно изменяется (увеличивается или уменьшается) в 2–4 раза.
Я.Вант-Гоффу первому в истории науки (1901) была вручена Нобелевская премия по химии. Он впервые изложил теорию пространственного расположения атомов в молекулах органических соединений, лежащую в основе современной стереохимии, создал или значительно расширил: химическую кинетику, термодинамику химических реакций, теорию разбавленных растворов и учение о равновесиях в водно-солевых системах.
Установленные Вант-Гоффом закономерности, экспериментальные методы исследования и примененные им аналитические, термодинамические и геометрические принципы сыграли большую роль в дальнейшем развитии химии.
Скорость химической реакции зависит также от присутствия катализатора.

Якоб Хендрик Вант-Гофф
(1852–1911) – голландский
химик, иностранный член-
корреспондент Петербург-
ской АН с 1895 г.

Обратимся к уже знакомому вам опыту (см. рис. 4). Прильем в пробирку немного 3%-го раствора пероксида водорода Н2О2 и подогреем его. Внесем в пробирку с пероксидом водорода тлеющую лучинку – она не вспыхнет, потому что реакция разложения пероксида водорода протекает так медленно, что образующегося небольшого количества кислорода недостаточно, что-бы произошла эта качественная реакция на кислород.
Теперь внесем в пробирку немного порошка оксида марганца(IV) МnO2; заметим, что началось бурное выделение пузырьков газа, а внесенная в пробирку тлеющая лучинка ярко вспыхнула. Оксид марганца(IV) увеличивает скорость реакции разложения пероксида водорода во много раз. Сам же он по окончании реакции остается в таком же количестве, в каком был в ее начале.
Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, оставаясь к концу ее неизменными, называются катализаторами .
Оксид марганца(IV) является катализатором в проделанной нами реакции.
Процесс изменения скорости химических реакций с помощью катализатора называется катализом, а реакции, идущие с участием катализатора, – каталитическими. При добавлении катализаторов в исходную смесь реагентов скорость реакции увеличивается в десятки и сотни раз, но в итоге реакции сами катализаторы остаются неизменными по форме, цвету, объему и массе.
Обыкновенное вещество вода может творить необыкновенные чудеса, если выступает в роли катализатора, например взаимодействия порошка алюминия с серой или с йодом (рис. 13).

Рис. 13. Вода
катализирует ре-
акцию алюминия
с йодом

Одним из первых исследователей катализа был русский химик Г.И.Гесс, опубликовавший в 1831 г. статью, содержание которой достаточно полно отражено в ее названии: «О свойстве весьма мелко раздробленной платины способствовать соединению кислорода с водородом и о плотности платины». Платина применяется химиками в наиболее ответственных случаях, являясь катализатором дорогим, но часто просто незаменимым. Например, с помощью платинового катализатора американским и японским автомобилестроителям удалось добиться почти полного сгорания топлива в двигателях, что, в свою очередь, резко уменьшило содержание вредных примесей в выхлопных газах исделало чище атмосферу таких больших городов, как Токио или Нью-Йорк.
Слово katálysis в переводе с греческого означает «разрушение», т.е. с помощью катализа происходит как бы разрушение длинного пути, который предстояло бы иначе пройти веществам, вступившим в реакцию.
Катализаторы широко используются в химической промышленности, т.к. позволяют повысить производительность химических процессов, уменьшить стоимость химической аппаратуры, сделать производство экологически более чистым и экономически выгодным.
Человек наблюдал действие катализаторов при образовании вина и уксуса из виноградного сока или при выпечке хлеба еще в древние времена.

Биологические катализаторы белковой природы называются ферментами.

Действие некоторых ферментов можно наблюдать на опыте, если опустить в пробирки с небольшим количеством пероксида водорода по кусочку сырой моркови, картофеля или мяса. Произойдет бурное выделение кислорода. Это «работает» фермент каталаза, который содержится почти во всех растительных и животных клетках. Однако, если в раствор пероксида водорода опускать по кусочку вареной моркови или мяса, то выделения кислорода не происходит: при варке каталаза разрушилась.
Следует отметить и еще одну особенность ферментов – они действуют в строгом интервале температур и в строго определенной среде. Например, фермент слюны – птиалин, с которым вы познакомитесь при изучении темы «Пищеварение в ротовой полости» на уроках анатомии, действует на крахмал пищи лучше всего при температуре 35–40 °С в слабощелочной среде. В желудке птиалин уже не «работает», т.к. там среда кислая и начинается действие уже другого фермента – пепсина, расщепляющего белки пищи.
Теперь вам должно быть понятно, почему в инструкциях по применению стиральных порошков, содержащих ферменты (их еще называют энзимами), рекомендуется строго придерживаться указанного интервала температур.
Клетки живых организмов четко соблюдают заданную им природой «инструкцию» по использованию ферментов. Под действием этих природных катализаторов в клетках происходит распад молекул белков, жиров и углеводов, поступивших с пищей, и синтез новых молекул, которые точно соответствуют потребностям данного организма. Вот почему великий русский физиолог И.П.Павлов назвал ферменты носителями жизни.
Полезно также знать, что помимо катализаторов, увеличивающих скорости химических реакций, есть вещества, которые, наоборот, их уменьшают. Они называются ингибиторами (от греч. inhibeo – сдерживать, останавливать). Значение ингибиторов так же велико, как и катализаторов. Например, коррозию металлов удается резко уменьшить именно с помощью ингибиторов.
Итак, мы выяснили, что скорость химической реакции зависит от следующих факторов: от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, площади соприкосновения реагирующих веществ (для гетерогенных реакций) и катализатора.

? 1. Что называется скоростью химической реакции? От каких факторов она зависит?
2. Сравните понятия «скорость движения» и «скорость химической реакции». Что между ними общего?
3. Сформулируйте правило Вант-Гоффа.
4. Что такое катализаторы? На какие группы их можно разделить? Где наиболее эффективно можно использовать ингибиторы?
5. Что такое ферменты? Сравните их с неорганическими катализаторами. Назовите области применения ферментов, используя возможности Интернета.
6. Почему при обработке порезов и других ран пероксидом водорода наблюдается бурное вспенивание препарата?
7. Почему продукты питания хранят в холодильниках?
8. Напишите синквейн о понятиях этого параграфа по своему выбору. Напомним, что синквейн – короткое литературное произведение, состоящее из пяти строк, которое пишется по определенному плану:
1-я строка – одно слово – тема синквейна (существительное или местоимение);
2-я строка – два слова – описание темы, ее признаки и свойства (прилагательные или причастия, могут быть соединены союзами);
3-я строка – три слова – описание характерных действий в рамках темы (глаголы, словосочетания);
4-я строка – четыре-пять слов – фраза или цитата на данную тему (выражает личное отношение автора к данной теме);
5-я строка – одно слово – характеризует суть темы, ассоциация, синоним к теме (существительное, описательный оборот).

Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за малые доли секунды, другие осуществляются за минуты, часы, дни; известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет. Кроме того, одна и та же реакции может в одних условиях, например, при повышенных температурах, протекать быстро, а в других, — например, при охлаждении, — медленно; при этом различие в скорости одной и той же реакции может быть очень большим.

При рассмотрении вопроса о скорости химической реакции необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной системе (гомогенные реакции), и реакции, протекающие в гетерогенной системе (гетерогенные реакции).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Системой в химии принято называть рассматриваемое вещество или совокупность веществ. При этом системе противопоставляется внешняя среда - вещества, окружающие систему.

Различают гомогенные и гетерогенные системе. Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы, гетерогенной - система, состоящая из нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отделенная от других её частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.

Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь 9все газы при не очень высоких давлениях неограниченно растворяются друг в друге) или раствор нескольких веществ в одном растворителе.

В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, уголь и сера в атмосфере воздуха.

Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы. Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. В связи с этим скорость гомогенной реакции и скорость гетерогенной реакции определяются различно.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы.

Оба эти определения можно записать в математической форме. Введем обозначения: υ homogen - скорость реакции в гомогенной системе; υ h etero gen - скорость реакции в гетерогенной системе;n- число молей какого-либо из получающихся при реакции веществ; V- объем системы; t-время; S - площадь поверхности фазы, на которой протекает реакция; Δ - знак приращения (Δn = n 2 -n 1 ; Δt = t 2 -t 1). Тогда

υ homogen = Δn / (V× Δt);

υ heterogen = Δn / (S× Δt).

Первое из этих уравнений можно упростить. Отношение количества вещества (n) к объему (V) системы представляет собою молярную концентрацию (с) вещества: c=n/V, откуда Δc=Δn/V и окончательно:

υ homogen = Δc / Δt.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции - изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. Является ключевым понятием химической кинетики . Скорость химической реакции - величина всегда положительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение умножается на −1.

Например для реакции:

выражение для скорости будет выглядеть так:

Для элементарных реакций показатель степени при значении концентрации каждого вещества часто равен его стехиометрическому коэффициенту, для сложных реакций это правило не соблюдается. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

• природа реагирующих веществ,
• наличие катализатора ,
• температура (правило Вант-Гоффа),
• давление,
• площадь поверхности реагирующих веществ.

Если мы рассмотрим самую простую химическую реакцию A + B → C, то мы заметим, что мгновенная скорость химической реакции величина непостоянная.

Литература

• Кубасов А. А. Химическая кинетика и катализ .
• Пригожин И., Дефей Р. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука, 1966. 510 с.
• Яблонский Г. С., Быков В. И., Горбань А. Н., Кинетические модели каталитических реакций , Новосибирск: Наука (Сиб. отделение), 1983.- 255 c.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Скорость химической реакции" в других словарях:

Основное понятие химической кинетики. Для простых гомогенных реакций скорость химической реакции измеряют по изменению числа молей прореагировавшего вещества (при постоянном объеме системы) или по изменению концентрации любого из исходных веществ … Большой Энциклопедический словарь

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ - основное понятие хим. кинетики, выражающее отношение количества прореагировавшего вещества (в молях) к отрезку времени, за которое произошло взаимодействие. Поскольку при взаимодействии изменяются концентрации реагирующих веществ, скорость обычно … Большая политехническая энциклопедия

скорость химической реакции - величина, характеризизующая интенсивность химической реакции. Скоростью образования продукта реакции называют количество этого продукта в результате реакции за единицу времени в единице объема (если реакция гомогенна) или на… …

Основное понятие химической кинетики. Для простых гомогенных реакций скорость химической реакции измеряют по изменению числа молей прореагировавшего вещества (при постоянном объёме системы) или по изменению концентрации любого из исходных веществ … Энциклопедический словарь

Величина, характеризующая интенсивность реакции химической (См. Реакции химические). Скоростью образования продукта реакции называется количество этого продукта, возникающее в результате реакции за единицу времени в единице объёма (если… …

Осн. понятие хим. кинетики. Для простых гомогенных реакций С. х. р. измеряют по изменению числа молей прореагировавшего в ва (при пост. объёме системы) или по изменению концентрации любого из исходных в в или продуктов реакции (если объём системы …

Для сложных реакций, состоящих из неск. стадий (простых, или элементарных реакций), механизм это совокупность стадий, в результате к рых исходные в ва превращаются в продукты. Промежуточными в вами в этих реакциях могут выступать как молекулы,… … Естествознание. Энциклопедический словарь

- (англ. nucleophilic substitution reaction) реакции замещения, в которых атаку осуществляет нуклеофил реагент, несущий неподеленную электронную пару. Уходящая группа в реакциях нуклеофильного замещения называется нуклеофуг. Все … Википедия

Превращения одних веществ в другие, отличные от исходных по химическому составу или строению. Общее число атомов каждого данного элемента, а также сами химические элементы, составляющие вещества, остаются в Р. х. неизмененными; этим Р. х … Большая советская энциклопедия

скорость волочения - линейная скорость движения металла на выходе из волоки, м/с. На современных волочильных машинах скорость волочения достигает 50 80 м/с. Однако даже при волочении проволоки скорость, как правило, не превышает 30 40 м/с. При… … Энциклопедический словарь по металлургии

Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ:

V = ± ((С 2 - С 1) / (t 2 - t 1)) = ± (DС / Dt)

Где С 1 и С 2 - молярные концентрации веществ в моменты времени t 1 и t 2 соответственно (знак (+) - если скорость определяется по продукту реакции, знак (-) - по исходному веществу).

Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул.
Факторы, влияющие на скорость химических реакций.
1. Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H 2 и N 2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H 2 O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.
Примеры
Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании.
Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди - не реагирует.

2. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает.
Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.)
Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

AA + bB + . . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов.
Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.
Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.

3. Температура. При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t 1 до t 2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:

(где Vt 2 и Vt 1 - скорости реакции при температурах t 2 и t 1 соответственно; g- температурный коэффициент данной реакции).
Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:

• e -Ea/RT

где
A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;
R - универсальная газовая постоянная ;

Ea - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению.
Энергетическая диаграмма химической реакции.

А - реагенты, В - активированный комплекс (переходное состояние), С - продукты.
Чем больше энергия активации Ea, тем сильнее возрастает скорость реакции при увеличении температуры.

4. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения.

5. Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами . Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление "отрицательного катализа ").

Изучением скорости химической реакции и условиями, влияющими на ее изменение, занимается одно из направлений физической химии - химическая кинетика. Она также рассматривает механизмы протекания этих реакций и их термодинамическую обоснованность. Эти исследования важны не только в научных целях, но и для контроля взаимодействия компонентов в реакторах при производстве всевозможных веществ.

Понятие скорости в химии

Скоростью реакции принято называть некое изменение концентраций, вступивших в реакцию соединений (ΔС) в единицу времени (Δt). Математическая формула скорости химической реакции выглядит следующим образом:

ᴠ = ±ΔC/Δt.

Измеряют скорость реакции в моль/л∙с, если она происходит во всем объеме (то есть реакция гомогенная) и в моль/м 2 ∙с, если взаимодействие идет на поверхности, разделяющей фазы (то есть реакция гетерогенная). Знак «-» в формуле имеет отношение к изменению значений концентраций исходных реагирующих веществ, а знак «+» - к изменяющимся значениям концентраций продуктов той же самой реакции.

Примеры реакций с различной скоростью

Взаимодействия химических веществ могут осуществляться с различной скоростью. Так, скорость нарастания сталактитов, то есть образования карбоната кальция, составляет всего 0,5 мм за 100 лет. Медленно идут некоторые биохимические реакции, например, фотосинтез и синтез белка. С довольно низкой скоростью протекает коррозия металлов.

Средней скоростью можно охарактеризовать реакции, требующие от одного до нескольких часов. Примером может послужить приготовление пищи, сопровождающееся разложением и превращением соединений, содержащихся в продуктах. Синтез отдельных полимеров требует нагревания реакционной смеси в течение определенного времени.

Примером химических реакций, скорость которых довольно высока, могут послужить реакции нейтрализации, взаимодействие гидрокарбоната натрия с раствором уксусной кислоты, сопровождающееся выделением углекислого газа. Также можно упомянуть взаимодействие нитрата бария с сульфатом натрия, при котором наблюдается выделение осадка нерастворимого сульфата бария.

Большое число реакций способно протекать молниеносно и сопровождаются взрывом. Классический пример - взаимодействие калия с водой.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Стоит отметить, что одни и те же вещества могут реагировать друг с другом с различной скоростью. Так, например, смесь газообразных кислорода и водорода может довольно длительное время не проявлять признаков взаимодействия, однако при встряхивании емкости или ударе реакция приобретает взрывной характер. Поэтому химической кинетикой и выделены определенные факторы, которые имеют способность оказывать влияние на скорость химической реакции. К ним относят:

• природу взаимодействующих веществ;
• концентрацию реагентов;
• изменение температуры;
• наличие катализатора;
• изменение давления (для газообразных веществ);
• площадь соприкосновения веществ (если говорят о гетерогенных реакциях).

Влияние природы вещества

Столь существенное отличие в скоростях химических реакций объясняется разными значениями энергии активации (Е а). Под ней понимают некое избыточное количество энергии в сравнении со средним ее значением, необходимым молекуле при столкновении, для того чтобы реакция произошла. Измеряется в кДж/моль и значения обычно бывают в границах 50-250.

Принято считать, что если Е а =150 кДж/моль для какой-либо реакции, то при н. у. она практически не протекает. Эта энергия тратится на преодоление отталкивания между молекулами веществ и на ослабление связей в исходных веществах. Иными словами, энергия активации характеризует прочность химических связей в веществах. По значению энергии активации можно предварительно оценить скорость химической реакции:

• Е а < 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
• 40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
• Е а >120, только очень малая часть стол-кновений частиц приведет к реакции, и скорость ее будет низкой.

Влияние концентрации

Зависимость скорости реакции от концентрации вернее всего характеризуется законом действующих масс (ЗДМ), который гласит:

Скорость химической реакции имеет прямо пропорциональную зависимость от произведения концентраций, вступивших в реакцию веществ, значения которых взяты в степенях, соответствующих им стехиометрическим коэффициентам.

Этот закон подходит для элементарных одностадийных реакций, или же какой-либо стадии взаимодействия веществ, характеризующегося сложным механизмом.

Если требуется определить скорость химической реакции, уравнение которой можно условно записать как:

αА+ bB = ϲС, то,

в соответствии с выше обозначенной формулировкой закона, скорость можно найти по уравнению:

V=k·[A] a ·[B] b , где

a и b - стехиометрические коэффициенты,

[A] и [B] - концентрации исходных соединений,

k - константа скорости рассматриваемой реакции.

Смысл коэффициента скорости химической реакции заключается в том, что ее значение будет равно скорости, если концентрации соединений будут равны единицам. Следует отметить, что для правильного расчета по этой формуле стоит учитывать агрегатное состояние реагентов. Концентрацию твердого вещества принимают равной единице и не включают в уравнение, поскольку в ходе реакции она остается постоянной. Таким образом, в расчет по ЗДМ включают концентрации только жидких и газообразных веществ. Так, для реакции получения диоксида кремния из простых веществ, описываемой уравнением

Si (тв) + Ο 2(г) = SiΟ 2(тв) ,

скорость будет определяться по формуле:

Типовая задача

Как изменилась бы скорость химической реакции монооксида азота с кислородом, если бы концентрации исходных соединений увеличили в два раза?

Решение: Этому процессу соответствует уравнение реакции:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 .

Запишем выражения для начальной (ᴠ 1) и конечной (ᴠ 2) скоростей реакции:

ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ] и

ᴠ 2 = k·(2·[ΝΟ]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ].

ᴠ 1 /ᴠ 2 = (k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ]) / (k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ]).

ᴠ 2 /ᴠ 1 = 4·2/1 = 8.

Ответ: увеличилась в 8 раз.

Влияние температуры

Зависимость скорости химической реакции от температуры была определена опытным путем голландским ученым Я. Х. Вант-Гоффом. Он установил, что скорость многих реакций возрастает в 2-4 раза с повышением температуры на каждые 10 градусов. Для этого правила имеется математическое выражение, которое имеет вид:

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10 , где

ᴠ 1 и ᴠ 2 - соответствующие скорости при температурах Τ 1 и Τ 2 ;

γ - температурный коэффициент, равен 2-4.

Вместе с тем это правило не объясняет механизма влияния температуры на значение скорости той или иной реакции и не описывает всей совокупности закономерностей. Логично сделать вывод о том, что с повышением температуры, хаотичное движение частиц усиливается и это провоцирует большее число их столкновений. Однако это не особо влияет на эффективность соударения молекул, поскольку она зависит, главным образом, от энергии активации. Также немалую роль в эффективности столкновения частиц имеет их пространственное соответствие друг другу.

Зависимость скорости химической реакции от температуры, учитывающая природу реагентов, подчиняется уравнению Аррениуса:

k = А 0 ·е -Еа/RΤ , где

А о - множитель;

Е а - энергия активации.

Пример задачи на закон Вант-Гоффа

Как следует изменить температуру, чтобы скорость химической реакции, у которой температурный коэффициент численно равен 3, выроста в 27 раз?

Решение. Воспользуемся формулой

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10 .

Из условия ᴠ 2 /ᴠ 1 = 27, а γ = 3. Найти нужно ΔΤ = Τ 2 -Τ 1 .

Преобразовав исходную формулу получаем:

V 2 /V 1 =γ ΔΤ/10 .

Подставляем значения: 27=3 ΔΤ/10 .

Отсюда понятно, что ΔΤ/10 = 3 и ΔΤ = 30.

Ответ: температуру следует повысить на 30 градусов.

Влияние катализаторов

В физической химии скорость химических реакций активно изучает также раздел, называемый катализом. Его интересует, как и почему сравнительно малые количества тех или иных веществ существенно увеличивают скорость взаимодействия других. Такие вещества, которые могут ускорять реакцию, но сами при этом в ней не расходуются, называются катализаторами.

Доказано, что катализаторы меняют механизм самого химического взаимодействия, способствуют появлению новых переходных состояний, для которых характерны меньшие высоты энергетического барьера. То есть они способствуют снижению энергии активации, а значит и увеличению количества эффективных ударений частиц. Катализатор не может вызвать реакцию, которая энергетически невозможна.

Так пероксид водорода способен разлагаться с образованием кислорода и воды:

Н 2 Ο 2 = Н 2 Ο + Ο 2 .

Но эта реакция очень медленная и в наших аптечках она существует в неизменном виде довольно долгое время. Открывая лишь очень старые флаконы с перекисью, можно заметить небольшой хлопок, вызванный давлением кислорода на стенки сосуда. Добавление же всего нескольких крупинок оксида магния спровоцирует активное выделение газа.

Та же реакция разложения перекиси, но уже под действием каталазы, происходит при обработке ран. В живых организмах находится много различных веществ, которые увеличивают скорость биохимических реакций. Их принято называть ферментами.

Противоположный эффект на протекание реакций оказывают ингибиторы. Однако это не всегда плохо. Ингибиторы используют для защиты металлической продукции от коррозии, для продления срока хранения пищи, например, для предотвращения окисления жиров.

Площадь соприкосновения веществ

В том случае, если взаимодействие идет между соединениями, имеющими разные агрегатные состояния, или же между веществами, которые не способны образовывать гомогенную среду (не смешивающиеся жидкости), то еще и этот фактор влияет на скорость химической реакции существенно. Связано это с тем, что гетерогенные реакции осуществляются непосредственно на границе раздела фаз взаимодействующих веществ. Очевидно, что чем обширнее эта граница, тем больше частиц имеют возможность столкнуться, и тем быстрее идет реакция.

Например, гораздо быстрее идет в виде мелких щепок, нежели в виде бревна. С той же целью многие твердые вещества растирают в мелкий порошок, прежде чем добавлять в раствор. Так, порошкообразный мел (карбонат кальция) быстрее действует с соляной кислотой, чем кусочек той же массы. Однако, помимо увеличения площади, данный прием приводит также к хаотичному разрыву кристаллической решетки вещества, а значит, повышает реакционную способность частиц.

Математически скорость гетерогенной химической реакции находят, как изменение количества вещества (Δν), происходящее в единицу вре-мени (Δt) на единице поверхности

(S): V = Δν/(S·Δt).

Влияние давления

Изменение давления в системе оказывает влияние лишь в том случае, когда в реакции принимают участие газы. Повышение давления сопровождается увеличением молекул вещества в единице объема, то есть концентрация его пропорционально возрастает. И наоборот, понижение давление приводит к эквивалентному уменьшению концентрации реагента. В этом случае подходит для вычисления скорости химической реакции формула, соответствующая ЗДМ.

Задача. Как возрастет скорость реакции, описываемой уравнением

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 ,

если объем замкнутой системы уменьшить в три раза (Т=const)?

Решение. При уменьшении объема пропорционально увеличивается давление. Запишем выражения для начальной (V 1) и конечной (V 2) скоростей реакции:

V 1 = k· 2 ·[Ο 2 ] и

V 2 = k·(3·) 2 ·3·[Ο 2 ] = k·9[ΝΟ] 2 ·3[Ο 2 ].

Чтобы найти во сколько раз новая скорость больше начальной, следует разделить левые и правые части выражений:

V 1 /V 2 = (k·9[ΝΟ] 2 ·3[Ο 2 ]) / (k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ]).

Значения концентраций и константы скорости сокращаются, и остается:

V 2 /V 1 = 9·3/1 = 27.

Ответ: скорость возросла в 27 раз.

Подводя итог, нужно отметить, что на скорость взаимодействия веществ, а точнее, на количество и качество столкновений их частиц, влияет множество факторов. В первую очередь - это энергия активации и геометрия молекул, которые практически невозможно скорректировать. Что касается остальных условий, то для роста скорости реакции следует:

• увеличить температуру реакционной среды;
• повысить концентрации исходных соединений;
• увеличить давление в системе или уменьшить ее объем, если речь идет о газах;
• привести разнородные вещества к одному агрегатному состоянию (например, растворив в воде) или увеличить площадь их соприкосновения.