Визначення швидкості хімічної реакції. Формула швидкості хімічної реакції. Швидкість хімічних реакцій. Хімічна рівновага

§ 16. ШВИДКІСТЬ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ

де с1 і c2 – концентрації одного з реагуючих аборечовин, що утворюються в моменти часу t1 і t2. Якщошвидкість реакції характеризують зміною концентрації вихідної речовини, то t2 > t1, a с2< c1 (концен трація вихідних речовин зменшується в міру протіканняреакції). Оскільки швидкість реакції має половажливе значення, перед дробом слід поставитимінус знак. При визначенні швидкості реакції позростаючої концентрації речовин, що утворюютьсявеличина дробу Δc/Δt виходить позитивною,перед дробом слід поставити знак плюс.

Знання швидкостей хімічних реакцій має дужевелике практичне та наукове значення. Наприклад,у хімічній промисловості від швидкості хімічеської реакції залежать розміри та продуктивністьапаратури, кількість виробу, що виробляєтьсяі, зрештою, зарплата працівників та собівартостіність продукції.

Розділ хімії, що вивчає швидкість хімічних реакцій, називається хімічною кінетикою . Знаючи її закони, людина отримує можливість керувати швидкістю хімічних процесів.
Дане вище визначення та відповідна йому формула швидкості хімічної реакції справедливі для гомогенних реакцій .
Якщо реакція гетерогенна , вона може йти тільки на поверхні розділу реагуючих речовин. У цьому випадку швидкість хімічної реакції визначатиметься площею дотику речовин.
Залежність швидкості гетерогенної реакції від величини поверхні зіткнення реагуючих речовин показано на рис. 11. У хімічних склянках налито однакові обсяги соляної кислоти однакової концентрації. На годинниковому склі знаходиться мармур однакової маси: для першого досвіду шматочок, для другого – порошок.

Мал. 11. Залежність швидкості хімічної реакції
від площі дотику реагуючих речовин

Швидкість хімічних реакцій залежить від природи реагуючихречовин .
На рис. 12 показано взаємодію двох лужних металів – літію та калію з водою. Калій взаємодіє з водою дуже бурхливо і настільки енергійно, що навіть спалахує.

Мал. 12. Залежність швидкості хімічної реакції
від природи речовин: калій(а) взаємодіє з водою
більш енергійно, ніж літій (б)

Наступним найважливішим чинником, що впливає швидкість хімічної реакції, є концентрація реагуючих речовин.
Зробимо досвід, що показує цей вплив. Наллємо в три пробірки розчин тіосульфату натрію. У першу пробірку – 3 мл, у другу – 2 мл, та у третю – 1 мл. Потім приллємо всі пробірки води так, щоб рівень розчинів тіосульфату в них став однаковим - 5 мл: тобто в першу пробірку приллємо 2 мл води, в другу - 3 мл, а в третю - 4 мл.
Зрозуміло, що найбільшою концентрація розчину тіосульфату буде у першій пробірці, а найменшою – у третій. Тепер швидко приллємо в кожну пробірку (починаючи з третьої) по 2 мл розчину сірчаної кислоти і простежимо випадання осаду сірки. Найперше він утворюється там, де вища концентрація тіосульфату, тобто. у першій пробірці. Це зрозуміло. Адже для хімічної взаємодії сірчаної кислоти та тіосульфату необхідно, щоб частинки (іони), з яких вони складаються, зіткнулися. Чим більше зіткнень, тим швидше протікає реакція. А кількість зіткнень тим більша, чим більша концентрація реагуючих речовин.
Залежність швидкості хімічної реакції температури визначається правилом Вант-Гоффа (1884).
При зміні (підвищенні чи зниженні) температури на кожні 10 °С швидкість реакції відповідно змінюється (збільшується чи зменшується) у 2–4 рази.
Я.Вант-Гоффу першому в історії науки (1901) було вручено Нобелівську премію з хімії. Він уперше виклав теорію просторового розташування атомів у молекулах органічних сполук, що лежить в основі сучасної стереохімії, створив або значно розширив: хімічну кінетику, термодинаміку хімічних реакцій, теорію розбавлених розчинів та вчення про рівноваги у водно-сольових системах.
Встановлені Вант-Гофф закономірності, експериментальні методи дослідження та застосовані ним аналітичні, термодинамічні та геометричні принципи відіграли велику роль у подальшому розвитку хімії.
Швидкість хімічної реакції також залежить від присутності каталізатора.

Якоб Хендрік Вант-Гофф
(1852–1911) – голландська
хімік, іноземний член-
кореспондент Петербург-
ської АН із 1895 р.

Звернемося до вже знайомого вам досвіду (див. рис. 4). Приллємо в пробірку трохи 3% розчину пероксиду водню Н2О2 і підігріємо його. Внесемо в пробірку з пероксидом водню тліє лучинку - вона не спалахне, тому що реакція розкладання пероксиду водню протікає так повільно, що утворюється невеликої кількості кисню недостатньо, щоб відбулася ця якісна реакція на кисень.
Тепер внесемо у пробірку трохи порошку оксиду марганцю (IV) МnO2; зауважимо, що почалося бурхливе виділення бульбашок газу, а внесена в пробірку тліюча лучинка яскраво спалахнула. Оксид марганцю(IV) збільшує швидкість реакції розкладання пероксиду водню у багато разів. Сам же він по закінченні реакції залишається в такій кількості, в якій був на її початку.
Речовини, які змінюють швидкість хімічної реакції, залишаючись до кінця її незмінними, називаються каталізаторами .
Оксид марганцю(IV) є каталізатором у виконаній нами реакції.
Процес зміни швидкості хімічних реакцій за допомогою каталізатора називається каталізом, а реакції, що йдуть за участю каталізатора, -каталітичні. При додаванні каталізаторів у вихідну суміш реагентів швидкість реакції збільшується в десятки і сотні разів, але в результаті реакції самі каталізатори залишаються незмінними за формою, кольором, об'ємом та масою.
Звичайна речовина вода може творити незвичайні дива, якщо виступає в ролі каталізатора, наприклад взаємодії порошку алюмінію з сіркою або йодом (рис. 13).

Мал. 13. Вода
каталізує ре-
акцію алюмінію
з йодом

Одним із перших дослідників каталізу був російський хімік Г.І.Гесс, який опублікував у 1831 р. статтю, зміст якої досить повно відображено в її назві: «Про властивість дрібно роздробленої платини сприяти з'єднанню кисню з воднем і про щільність платини». Платина застосовується хіміками у найбільш відповідальних випадках, будучи каталізатором дорогим, але часто просто незамінним. Наприклад, за допомогою платинового каталізатора американським і японським автомобілебудівникам вдалося досягти майже повного згоряння палива в двигунах, що, своєю чергою, різко зменшило вміст шкідливих домішок у вихлопних газах, що покращило атмосферу таких великих міст, як Токіо або Нью-Йорк.
Слово katálysisу перекладі з грецької означає «руйнування», тобто. за допомогою каталізу відбувається хіба що руйнація довгого шляху, який мав би інакше пройти речовинам, які вступили в реакцію.
Каталізатори широко застосовують у хімічної промисловості, т.к. дозволяють підвищити продуктивність хімічних процесів, зменшити вартість хімічної апаратури, зробити виробництво екологічно чистішим та економічно вигідним.
Людина спостерігала дію каталізаторів при утворенні вина та оцту з виноградного сокуабо при випіканні хліба ще в давні часи.

Біологічні каталізатори білкової природи називаються ферментами.

Дія деяких ферментів можна спостерігати на досвіді, якщо опустити в пробірки з невеликою кількістю пероксиду водню шматочком сирої моркви, картоплі або м'яса. Відбудеться бурхливе виділення кисню. Це «працює» фермент каталаза, який міститься майже у всіх рослинних та тваринних клітинах. Однак, якщо розчин пероксиду водню опускати по шматочку вареної моркви або м'яса, то виділення кисню не відбувається: при варінні каталаза зруйнувалася.
Слід зазначити і ще одну особливість ферментів – вони діють у строгому інтервалі температур та у строго певному середовищі. Наприклад, фермент слини – птіалін, з яким ви познайомитеся при вивченні теми «Травлення в ротовій порожнині» на уроках анатомії, діє на крохмаль їжі найкраще при температурі 35–40 °С у слаболужному середовищі. У шлунку птіалін не «працює», т.к. там середовище кисле і починається дія вже іншого ферменту - пепсину, що розщеплює білки їжі.
Тепер вам має бути зрозуміло, чому в інструкціях із застосування пральних порошків, що містять ферменти (їх ще називають ензимами), рекомендується дотримуватися вказаного інтервалу температур.
Клітини живих організмів чітко дотримуються заданої їм природою «інструкції» з використання ферментів. Під дією цих природних каталізаторів у клітинах відбувається розпад молекул білків, жирів і вуглеводів, що надійшли з їжею, та синтез нових молекул, які точно відповідають потребам цього організму. Саме тому великий російський фізіолог І.П.Павлов назвав ферменти носіями життя.
Корисно також знати, що крім каталізаторів, що збільшують швидкість хімічних реакцій, є речовини, які, навпаки, їх зменшують. Вони називаються інгібіторами (від грец. inhibeo – стримувати, зупиняти). Значення інгібіторів так само велике, як і каталізаторів. Наприклад, корозію металів вдається різко зменшити за допомогою інгібіторів.
Отже, ми з'ясували, що швидкість хімічної реакції залежить від наступних факторів: від природи речовин, що реагують, концентрації, температури, площі зіткнення реагуючих речовин (для гетерогенних реакцій) і каталізатора.

? 1. Що називається швидкістю хімічної реакції? Від яких чинників залежить?
2. Порівняйте поняття «швидкість руху» та «швидкість хімічної реакції». Що з-поміж них спільного?
3. Сформулюйте правило Вант-Гоффа.
4. Що таке каталізатори? На які групи їх можна поділити? Де найефективніше можна використовувати інгібітори?
5. Що таке ферменти? Порівняйте їх із неорганічними каталізаторами. Назвіть сфери застосування ферментів, використовуючи можливості Інтернету.
6. Чому при обробці порізів та інших ран пероксидом водню спостерігається бурхливе спінювання препарату?
7. Чому продукти харчування зберігають у холодильниках?
8. Напишіть синквейн про поняття цього параграфа на свій вибір. Нагадаємо, що синквейн – короткий літературний твір, що складається з п'яти рядків, що пишеться за певним планом:
1-й рядок – одне слово – тема синквейну (іменник або займенник);
2-й рядок – два слова – опис теми, її ознаки та властивості (прикметники або дієприкметники можуть бути з'єднані спілками);
3-й рядок – три слова – опис характерних дій у рамках теми (дієслова, словосполучення);
4-й рядок – чотири-п'ять слів – фраза чи цитата на цю тему (виражає особисте ставлення автора до цієї теми);
5-й рядок – одне слово – характеризує суть теми, асоціація, синонім до теми (іменник, описовий оборот).

Хімічні реакції протікають із різними швидкостями. Деякі їх повністю закінчуються за малі частки секунди, інші здійснюються за хвилини, години, дні; відомі реакції, що вимагають свого протікання кілька років. Крім того, та сама реакція може в одних умовах, наприклад, при підвищених температурах, протікати швидко, а в інших, — наприклад, при охолодженні, — повільно; при цьому відмінність у швидкості однієї й тієї реакції може бути дуже великим.

При розгляді питання про швидкість хімічної реакції необхідно розрізняти реакції, що протікають у гомогенній системі (гомогенні реакції), та реакції, що протікають у гетерогенній системі (гетерогенні реакції).

ВИЗНАЧЕННЯ

Системоюв хімії прийнято називати розглянуту речовину або сукупність речовин. У цьому системі протиставляється зовнішнє середовище - речовини, що оточують систему.

Розрізняють гомогенні та гетерогенні системі. Гомогеннійназивається система, що складається з однієї фази, гетерогенної- Система, що складається з декількох фаз. Фазоюназивається частина системи, відокремлена з інших її частин поверхнею розділу, під час переходу через яку властивості змінюються стрибком.

Прикладом гомогенної системи може бути будь-яка газова суміш 9все гази при не дуже високих тискахнеобмежено розчиняються один в одному) або розчин кількох речовин в одному розчиннику.

Як приклади гетерогенних систем можна навести такі системи: вода з льодом, насичений розчин з осадом, вугілля та сірка в атмосфері повітря.

Якщо реакція протікає в гомогенній системі, вона йде у всьому обсязі цієї системи. Якщо реакція протікає між речовинами, що утворюють гетерогенну систему, то вона може йти тільки на поверхні розділу фаз, що утворюють систему. У зв'язку з цим швидкість гомогенної реакції та швидкість гетерогенної реакції визначаються по-різному.

ВИЗНАЧЕННЯ

Швидкістю гомогенної реакціїназивається кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється при реакції за одиницю часу в одиниці об'єму системи.

Швидкістю гетерогенної реакціїназивається кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється при реакції за одиницю часу на одиниці площі поверхні фази.

Обидва ці визначення можна записати у математичній формі. Введемо позначення: ? homogen - швидкість реакції в гомогенній системі; υ h etero gen - швидкість реакції в гетерогенній системі; n- число молей якого-небудь з речовин, що виходять при реакції; V-обсяг системи; t-час; S - площа поверхні фази, де протікає реакція; Δ - знак збільшення (Δn = n 2 -n 1 ; Δt = t 2 -t 1). Тоді

υ homogen = Δn/(V×Δt);

υ heterogen = Δn/(S× Δt).

Перше із цих рівнянь можна спростити. Відношення кількості речовини (n) до об'єму (V) системи є молярною концентрацією (с) речовини: c=n/V, звідки Δc=Δn/V і остаточно:

υ homogen = Δc / Δt.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Швидкість хімічної реакції

Швидкість хімічної реакції- Зміна кількості однієї з реагуючих речовин за одиницю часу в одиниці реакційного простору. Є ключовим поняттям хімічної кінетики. Швидкість хімічної реакції - величина завжди позитивна, тому, якщо вона визначається за вихідною речовиною (концентрація якої зменшується в процесі реакції), отримане значення множиться на −1.

Наприклад для реакції:

вираз для швидкості виглядатиме так:

Для елементарних реакцій показник ступеня при значенні концентрації кожної речовини часто дорівнює його стехіометричному коефіцієнту, для складних реакцій це правило не дотримується. Крім концентрації на швидкість хімічної реакції впливають такі фактори:

• природа реагуючих речовин,
• наявність каталізатора,
• температура (правило Вант-Гоффа),
• тиск,
• площа поверхні реагуючих речовин.

Якщо ми розглянемо найпростішу хімічну реакцію A + B → C, ми помітимо, що миттєвашвидкість хімічної реакції величина непостійна.

Література

• Кубасов А. А. Хімічна кінетика та каталіз.
• Пригожин І., Дефей Р. Хімічна термодинаміка. Новосибірськ: Наука, 1966. 510 с.
• Яблонський Р. С., Биков Ст І., Горбань А. Н., Кінетичні моделі каталітичних реакцій, Новосибірськ: Наука (Сиб. відділення), 1983. - 255 c.

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Швидкість хімічної реакції" в інших словниках:

Основне поняття хімічної кінетики. Для простих гомогенних реакцій швидкість хімічної реакції вимірюють по зміні числа молей речовини, що прореагувала (при постійному обсязі системи) або по зміні концентрації будь-якої з вихідних речовин. Великий Енциклопедичний словник

ШВИДКІСТЬ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ- Основне поняття хім. кінетики, що виражає відношення кількості речовини, що прореагувала (в молях) до відрізку часу, за який відбулася взаємодія. Оскільки при взаємодії змінюються концентрації речовин, що реагують, швидкість зазвичай … Велика політехнічна енциклопедія

швидкість хімічної реакції- Величина, що характеризує інтенсивність хімічної реакції. Швидкістю утворення продукту реакції називають кількість цього продукту в результаті реакції за одиницю часу в одиниці об'єму (якщо реакція гомогенна) або на…

Основне поняття хімічної кінетики. Для простих гомогенних реакцій швидкість хімічної реакції вимірюють по зміні числа молей речовини, що прореагувала (при постійному обсязі системи) або по зміні концентрації будь-якої з вихідних речовин. Енциклопедичний словник

Величина, що характеризує інтенсивність реакції хімічної. Швидкістю утворення продукту реакції називається кількість цього продукту, що виникає в результаті реакції за одиницю часу в одиниці об'єму (якщо…

основ. Хім концепції. кінетики. Для простих гомогенних реакцій С. х. нар. вимірюють по зміні числа молей прореагував у ва (при пост. Обсязі системи) або по зміні концентрації будь-якого з вихідних або продуктів реакції (якщо обсяг системи …).

Для складних реакцій, що складаються з дек. стадій (простих, або елементарних реакцій), механізм це сукупність стадій, в результаті яких вихідні у ва перетворюються на продукти. Проміжними вами в цих реакціях можуть виступати як молекули, … Природознавство. Енциклопедичний словник

- (англ. Nucleophilic substitution reaction) реакції заміщення, в яких атаку здійснює нуклеофіл реагент, що несе неподілену електронну пару. Йдуча група у реакціях нуклеофільного заміщення називається нуклеофуг. Всі … Вікіпедія

Перетворення одних речовин на інші, відмінні від вихідних по хімічного складучи будовою. Загальна кількість атомів кожного даного елемента, а також самі хімічні елементи, складові речовини, що залишаються в Р. х. незміненими; цим Р. х … Велика Радянська Енциклопедія

швидкість волочіння- Лінійна швидкість руху металу на виході з волоки, м / с. На сучасних волочильних машинах швидкість волочіння досягає 50-80 м/с. Однак навіть при волочении дроту швидкість, зазвичай, вбирається у 30 40 м/с. При… … Енциклопедичний словник з металургії

Швидкість реакціївизначається зміною молярної концентрації однієї з реагуючих речовин:

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

Де С 1 і С 2 - молярні концентрації речовин у моменти часу t 1 і t 2 відповідно (знак (+) - якщо швидкість визначається за продуктом реакції, знак (-) - за вихідною речовиною).

Реакції відбуваються при зіткненні молекул речовин, що реагують. Її швидкість визначається кількістю зіткнень та ймовірністю того, що вони призведуть до перетворення. Число зіткнень визначається концентраціями реагуючих речовин, а ймовірність реакції - енергією молекул, що стикаються.
Чинники, що впливають швидкість хімічних реакцій.
1. Природа реагуючих речовин. Велику роль відіграє характер хімічних зв'язків та будова молекул реагентів. Реакції протікають у напрямку руйнування менш міцних зв'язків та утворення речовин із міцнішими зв'язками. Так, для розриву зв'язків у молекулах H 2 і N 2 потрібні високі енергії; такі молекули мало реакційні. Для розриву зв'язків у сильнополярних молекулах (HCl, H 2 O) потрібно менше енергії, і швидкість реакції значно вища. Реакції між іонами у розчинах електролітів протікають практично миттєво.
Приклади
Фтор з воднем реагує з вибухом за кімнатної температури, бром з воднем взаємодіє повільно і при нагріванні.
Оксид кальцію входить у реакцію з водою енергійно, із тепла; оксид міді – не реагує.

2. Концентрація. Зі збільшенням концентрації (числа частинок в одиниці об'єму) частіше відбуваються зіткнення молекул реагуючих речовин – швидкість реакції зростає.
Закон діючих мас (К. Гульдберг, П. Вааге, 1867 р.)
Швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин.

AA + bB +. . . ®. . .

• [A] a [B] b. . .

Константа швидкості реакції k залежить від природи реагуючих речовин, температури та каталізатора, але не залежить від значення концентрацій реагентів.
Фізичний зміст константи швидкості полягає в тому, що вона дорівнює швидкості реакції при поодиноких концентраціях речовин, що реагують.
Для гетерогенних реакцій концентрація твердої фази у вираз швидкості реакції не входить.

3. Температура. При підвищенні температури кожні 10°C швидкість реакції зростає в 2-4 разу (Правило Вант-Гоффа). При збільшенні температури від t 1 до t 2 зміну швидкості реакції можна розрахувати за такою формулою:

(де Vt 2 і Vt 1 - швидкості реакції при температурах t 2 і t 1 відповідно; g- температурний коефіцієнтданої реакції).
Правило Вант-Гоффа застосовується лише у вузькому інтервалі температур. Більш точним є рівняння Арреніуса:

• e-Ea/RT

де
A - постійна, що залежить від природи речовин, що реагують;
R - універсальна газова постійна;

Ea – енергія активації, тобто. енергія, якою повинні мати стикаються молекули, щоб зіткнення призвело до хімічного перетворення.
Енергетична діаграма хімічної реакції.

А – реагенти, В – активований комплекс (перехідний стан), С – продукти.
Чим більша енергія активації Ea, тим більше зростає швидкість реакції зі збільшенням температури.

4. Поверхня дотику реагуючих речовин. Для гетерогенних систем (коли речовини перебувають у різних агрегатних станах), що більше поверхню зіткнення, то швидше протікає реакція. Поверхня твердих речовин може бути збільшена шляхом їх подрібнення, а розчинних речовин - шляхом їх розчинення.

5. Каталіз. Речовини, що беруть участь у реакціях та збільшують її швидкість, залишаючись до кінця реакції незмінними, називаються каталізаторами. Механізм дії каталізаторів пов'язаний із зменшенням енергії активації реакції за рахунок утворення проміжних сполук. При гомогенний каталізреагенти і каталізатор становлять одну фазу (перебувають в одному агрегатному стані), при гетерогенний каталіз- Різні фази (перебувають у різних агрегатних станах). Різко уповільнити протікання небажаних хімічних процесів у ряді випадків можна додаючи в реакційне середовище інгібітори. негативного каталізу").

Вивченням швидкості хімічної реакції та умовами, що впливають на її зміну, займається один із напрямків фізичної хімії - хімічна кінетика. Вона також розглядає механізми перебігу цих реакцій та їхню термодинамічну обґрунтованість. Ці дослідження важливі у наукових цілях, а й контролю взаємодії компонентів у реакторах під час виробництва всіляких речовин.

Поняття швидкості у хімії

Швидкістю реакції прийнято називати певну зміну концентрацій, що вступили в реакцію сполук (ΔС) в одиницю часу (Δt). Математична формула швидкості хімічної реакції виглядає так:

ᴠ = ±C/Δt.

Вимірюють швидкість реакції в моль/л∙с, якщо вона відбувається у всьому обсязі (тобто реакція гомогенна) та в моль/м 2 ∙с, якщо взаємодія йде на поверхні, що розділяє фази (тобто реакція гетерогенна). Знак «-» у формулі має відношення до зміни значень концентрацій вихідних реагуючих речовин, а знак «+» - до значень концентрацій продуктів, що змінюються, тієї ж самої реакції.

Приклади реакцій із різною швидкістю

Взаємодія хімічних речовин може здійснюватися з різною швидкістю. Так, швидкість наростання сталактитів, тобто утворення карбонату кальцію, становить лише 0,5 мм за 100 років. Повільно йдуть деякі біохімічні реакції, наприклад, фотосинтез та синтез білка. Із досить низькою швидкістю протікає корозія металів.

Середньою швидкістю можна охарактеризувати реакції, що вимагають від одного до кількох годин. Прикладом може бути приготування їжі, що супроводжується розкладанням і перетворенням сполук, які у продуктах. Синтез окремих полімерів потребує нагрівання реакційної суміші протягом певного часу.

Прикладом хімічних реакцій, швидкість яких досить висока, можуть бути реакції нейтралізації, взаємодія гідрокарбонату натрію з розчином оцтової кислоти, що супроводжується виділенням вуглекислого газу. Також можна згадати взаємодію нітрату барію із сульфатом натрію, при якому спостерігається виділення осаду нерозчинного сульфату барію.

Велика кількість реакцій здатна протікати блискавично та супроводжуються вибухом. Класичний приклад – взаємодія калію з водою.

Чинники, що впливають на швидкість хімічної реакції

Варто зазначити, що ті самі речовини можуть реагувати один з одним з різною швидкістю. Так, наприклад, суміш газоподібних кисню і водню може досить тривалий час не виявляти ознак взаємодії, проте при струшуванні ємності або ударі реакція набуває вибухового характеру. Тому хімічною кінетикою та виділено певні фактори, які мають здатність впливати на швидкість хімічної реакції. До них відносять:

• природу взаємодіючих речовин;
• концентрацію реагентів;
• зміна температури;
• наявність каталізатора;
• зміна тиску (для газоподібних речовин);
• площа зіткнення речовин (якщо говорять про гетерогенні реакції).

Вплив природи речовини

Така суттєва відмінність у швидкостях хімічних реакцій пояснюється різними значеннями енергії активації (Е а). Під нею розуміють деяку надмірну кількість енергії порівняно із середнім її значенням, необхідним молекулі при зіткненні, щоб реакція відбулася. Вимірюється в кДж/моль і значення зазвичай бувають у межах 50-250.

Вважають, що й Е а =150 кДж/моль для будь-якої реакції, то за н. у. вона мало протікає. Ця енергія витрачається подолання відштовхування між молекулами речовин і ослаблення зв'язків у вихідних речовинах. Іншими словами, енергія активації характеризує міцність хімічних зв'язків у речовинах. За значенням енергії активації можна попередньо оцінити швидкість хімічної реакції:

• 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, тільки дуже мала частина зіткнень частинок призведе до реакції, і швидкість її буде низькою.

Вплив концентрації

Залежність швидкості реакції від концентрації найвірогідніше характеризується законом діючих мас (ЗДМ), який гласить:

Швидкість хімічної реакції має прямо пропорційну залежність від добутку концентрацій, що вступили в реакцію речовин, значення яких взяті у ступенях, що відповідають їм коефіцієнти стехіометрії.

Цей закон підходить для елементарних одностадійних реакцій, або ж будь-якої стадії взаємодії речовин, що характеризується складним механізмом.

Якщо потрібно визначити швидкість хімічної реакції, рівняння якої можна умовно записати як:

αА+ bB = ?С, то,

відповідно до вище зазначеного формулювання закону, швидкість можна знайти за рівнянням:

V = k · [A] a · [B] b , де

a та b - стехіометричні коефіцієнти,

[A] і [B] - концентрації вихідних сполук,

k - константа швидкості аналізованої реакції.

Сенс коефіцієнта швидкості хімічної реакції полягає в тому, що її значення дорівнюватиме швидкості, якщо концентрації сполук дорівнюватимуть одиницям. Слід зазначити, що з правильного розрахунку за цією формулою варто враховувати агрегатний стан реагентів. Концентрацію твердої речовини приймають рівною одиниці і не включають до рівняння, оскільки в ході реакції залишається постійною. Таким чином, до розрахунку ЗДМ включають концентрації тільки рідких і газоподібних речовин. Так, для реакції отримання діоксиду кремнію з простих речовин, що описується рівнянням

Si(тв) + Ο 2(г) = SiΟ 2(тв) ,

швидкість визначатиметься за формулою:

Типове завдання

Як змінилася б швидкість хімічної реакції монооксиду азоту з киснем, якби концентрації вихідних сполук збільшили вдвічі?

Рішення: Цьому процесу відповідає рівняння реакції:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 .

Запишемо вирази для початкової (1) і кінцевої (2) швидкостей реакції:

ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ] і

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 / 1 = 4 · 2/1 = 8.

Відповідь: збільшилася у 8 разів.

Вплив температури

Залежність швидкості хімічної реакції від температури було визначено дослідним шляхом голландським ученим Я. Х. Вант-Гофф. Він встановив, що швидкість багатьох реакцій зростає у 2-4 рази із підвищенням температури на кожні 10 градусів. Для цього правила є математичний вираз, який має вигляд:

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10 , де

1 і 2 - відповідні швидкості при температурах 1 і 2;

γ - температурний коефіцієнт, що дорівнює 2-4.

Водночас це правило не пояснює механізму впливу температури на значення швидкості тієї чи іншої реакції та не описує всієї сукупності закономірностей. Логічно дійти невтішного висновку у тому, що з підвищенням температури, хаотичний рух частинок посилюється і це провокує більше їх зіткнень. Однак це не особливо впливає на ефективність зіткнення молекул, оскільки вона залежить головним чином від енергії активації. Також чималу роль ефективності зіткнення частинок має їх просторове відповідність одна одній.

Залежність швидкості хімічної реакції від температури, що враховує природу реагентів, підпорядковується рівнянню Арреніуса:

k = А 0 · е-Еа/RΤ, де

А про - множник;

Е а – енергія активації.

Приклад завдання на закон Вант-Гоффа

Як слід змінити температуру, щоб швидкість хімічної реакції, у якої температурний коефіцієнт чисельно дорівнює 3, виросту у 27 разів?

Рішення. Скористаємося формулою

ᴠ 2 = ᴠ 1 · γ (Τ2-Τ1) / 10 .

З умови 2 / 1 = 27, а γ = 3. Знайти потрібно ΔΤ = Τ 2 -Τ 1 .

Перетворивши вихідну формулу отримуємо:

V 2 /V 1 =γ ΔΤ/10 .

Підставляємо значення: 27=3 ΔΤ/10.

Звідси зрозуміло, що ΔΤ/10 = 3 та ΔΤ = 30.

Відповідь: температуру слід збільшити на 30 градусів.

Вплив каталізаторів

У фізичній хімії швидкість хімічних реакцій активно вивчає також розділ, який називається каталізом. Його цікавить, як і чому порівняно малі кількості тих чи інших речовин суттєво збільшують швидкість взаємодії інших. Такі речовини, які можуть прискорювати реакцію, але самі при цьому не витрачаються, називаються каталізаторами.

Доведено, що каталізатори змінюють механізм самої хімічної взаємодії, сприяють появі нових перехідних станів, для яких характерні менші висоти енергетичного бар'єру. Тобто вони сприяють зниженню енергії активації, а отже, і збільшенню кількості ефективних наголосів частинок. Каталізатор не може викликати реакцію, яка енергетично неможлива.

Так пероксид водню здатний розкладатися з утворенням кисню та води:

Н 2 Ο 2 = Н 2 Ο + Ο 2 .

Але ця реакція дуже повільна і в наших аптечках вона існує у незмінному вигляді досить довгий час. Відкриваючи лише дуже старі флакони з перекисом, можна помітити невелику бавовну, спричинену тиском кисню на стінки судини. Додавання всього кількох крупинок оксиду магнію спровокує активне виділення газу.

Та ж реакція розкладання перекису, але вже під дією каталази відбувається при обробці ран. У живих організмах є багато різних речовин, які збільшують швидкість біохімічних реакцій. Їх прийнято називати ферментами.

Протилежний ефект протікання реакцій надають інгібітори. Однак, це не завжди погано. Інгібітори використовують для захисту металевої продукції від корозії, для продовження терміну зберігання їжі, наприклад, для запобігання окисленню жирів.

Площа зіткнення речовин

У тому випадку, якщо взаємодія йде між сполуками, що мають різні агрегатні стани, або між речовинами, які не здатні утворювати гомогенне середовище (не змішуються рідини), то ще й цей фактор впливає на швидкість хімічної реакції суттєво. Пов'язано це з тим, що гетерогенні реакції здійснюються безпосередньо на межі поділу фаз взаємодіючих речовин. Очевидно, що чим ширший цей кордон, тим більше часток мають можливість зіткнутися, і тим швидше йде реакція.

Наприклад, набагато швидше йде у вигляді дрібних тріски, ніж у вигляді колоди. З тією ж метою багато твердих речовин розтирають у дрібний порошок, перш ніж додавати в розчин. Так, порошкоподібна крейда (карбонат кальцію) швидше діє із соляною кислотою, ніж шматочок тієї ж маси. Однак, крім збільшення площі, даний прийом призводить також до хаотичного розриву кристалічних ґрат речовини, а значить, підвищує реакційну здатність частинок.

Математично швидкість гетерогенної хімічної реакції знаходять, як зміна кількості речовини (Δν), що відбувається в одиницю часу (Δt) на одиниці поверхні

(S): V = Δν/(S·Δt).

Вплив тиску

Зміна тиску у системі впливає лише тому випадку, як у реакції беруть участь гази. Підвищення тиску супроводжується збільшенням молекул речовини в одиниці об'єму, тобто його концентрація пропорційно зростає. І навпаки, зниження тиску призводить до еквівалентного зменшення концентрації реагенту. У цьому випадку для обчислення швидкості хімічної реакції підходить формула, відповідна ЗДМ.

Завдання. Як зросте швидкість реакції, що описується рівнянням

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 ,

якщо обсяг замкнутої системи зменшити утричі (Т=const)?

Рішення. При зменшенні обсягу збільшується пропорційно тиск. Запишемо вирази для початкової (V 1) і кінцевої (V 2) швидкостей реакції:

V 1 = k · 2 · [Ο 2] і

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

Щоб знайти у скільки разів нова швидкість більша за початкову, слід розділити ліві та праві частини виразів:

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

Значення концентрацій та константи швидкості скорочуються, і залишається:

V 2 / V 1 = 9 · 3/1 = 27.

Відповідь: швидкість зросла у 27 разів.

Підсумовуючи, слід зазначити, що у швидкість взаємодії речовин, а точніше, кількість і якість зіткнень їх частинок, впливає безліч чинників. Насамперед - це енергія активації та геометрія молекул, які практично неможливо скоригувати. Що ж до інших умов, то збільшення швидкості реакції слід:

• збільшити температуру реакційного середовища;
• підвищити концентрацію вихідних сполук;
• збільшити тиск у системі чи зменшити її обсяг, якщо йдеться про гази;
• привести різнорідні речовини до одного агрегатного стану (наприклад, розчинивши у воді) або збільшити площу їхнього дотику.