Конспект урока: Скорость химических реакций

Как мы уже знаем, с химическими реакциями человечество познакомилось на самом рассвете цивилизации. И до сих пор интерес к тому, как можно заставить одни реакции протекать быстрее, а другие медленнее, не угас. В химии есть целый раздел, который изучает скорость химической реакции — химическая кинетика . Сегодня влияние самых различных факторов на скорость реакции досконально изучено. Эта тема является одной из основополагающий в общей химии, во многих зарубежных программах именно с неё начинается погружение в курс школьной химии.

Скорость химической реакции

Вообще понятие скорости реакции не такое очевидное и таит ряд проблем. Главная из них в том, что по мере протекания реакции её скорость убывает.

 

Скорость реакции, по сути, определяется числом столкновений частиц, приводящих к изменению их химического состава в единицу времени. Однако наглядно можно проследить лишь за изменением количества вещества в единице объёма. Собственно говоря, . Однако, отсюда следует, что на разных временных промежутках скорость реакции будет различной, и мы, по сути, лишь найдём среднюю скорость на промежутке от t₁ до t₂.

 

Именно поэтому, как правило, находят мгновенную скорость в начальный момент времени для исходных концентраций. Для этого применяют закон действующих масс.

Концентрация — это содержание вещества в единице объёма. Её обозначают буквой «С». Стоит отметить, если взаимодействие происходит между веществами в разных агрегатных состояниях, учитываться будет только концентрация веществ в наиболее подвижной фазе, поскольку реакция будет только на границе раздела фаз. Например, в реакции горения серы её скорость будет определяться только содержанием в воздухе кислорода.

Если у нас протекает реакция между газообразными веществами A и В:

$\mathrm{аА} + \mathrm{bВ} \to \dots$,

то, независимо от того, какие образуются продукты, её скорость была бы равна: 

$\mathrm{V} = \mathrm{KC}{\left(\mathrm{A}\right)}^{\mathrm{a}}\mathrm{C}{\left(\mathrm{B}\right)}^{\mathrm{b}}$.
 

K — константа скорости, она не зависит от концентрации веществ. Сама скорость реакции (V) будет измеряться в моль/(л · с).

Решение

Давайте выясним, как это определить.

1. Раствор с массовой долей 10 % будет реагировать с меньшей скоростью, чем с массовой долей 20 %. Это следует из закона действующих масс. Чем выше будет доля вещества в растворе, тем выше и скорость.

2. На первый взгляд может показаться, что оставшиеся растворы должны реагировать с равной скоростью. Но на самом деле это не так по двум причинам: во-первых, соляная кислота сильнее серной, поэтому при равном содержании будет реагировать быстрее, чем уксусная. 

3. А во-вторых, говоря о скорости реакции, следует ориентироваться на количества веществ, а не на их массы, так в 100 г этих растворов содержится по 20 г кислот. Но количественно соляной кислоты будет больше:

 . В знаменателях указаны молярные массы веществ, вычисленные по таблице Менделеева.

Ответ: 20%-я соляная кислота.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Мы уже познакомились с двумя факторами, влияющими на скорость реакции. Это природа вещества и концентрация. 

Даже если все условия будут одинаковыми, разные вещества в аналогичных реакциях будут взаимодействовать с разной скоростью, поскольку они различаются химической активностью. Так, калий активнее натрия как восстановитель, азотная кислота сильнее фосфорной, а цинк активнее меди в растворе. 

Что же касается концентраций, то помимо прямого способа её изменить — вводя или выводя вещество из реакционного пространства — можно изменить её, влияя на объём. Так, уменьшение объёма в системе либо увеличение давления приведёт к сжатию вещества, а следовательно, увеличит концентрацию, тогда как обратное воздействие — увеличение объёма либо уменьшение давления — концентрацию уменьшит. 

Все вышеописанные действия, приводя к увеличению количества частиц в единице объёма, увеличивают и частоту столкновений частиц. Однако другой способ заставить частицы сталкиваться чаще — увеличить скорость их движения. Самый простой способ это сделать — повысить температуру.

Именно поэтому мы храним продукты в холодильнике. При низких температурах все реакции протекают медленнее и продукты могут храниться дольше.

Эта зависимость была известна людям издавна, однако установить закон, позволяющий количественно рассчитывать изменение скорости реакции при различных температурах, появился довольно поздно. 

Однако до его появления эта зависимость была установлена опытным путём и получила название эмпирическое правило Вант-Гоффа.

Это число, различное для всех реакций, называется тепловым коэффициентом Вант Гоффа и обозначается буквой гамма ꙋ.

$\frac{{\mathit{V}}_{\mathit{2}}}{{\mathit{V}}_{\mathit{1}}}\mathit{=}{\gamma }^{\frac{{\mathit{T}}_{\mathit{2}}\mathit{-}{\mathit{T}}_{\mathit{1}}}{\mathit{10}}}$

Решение

1. Температуру увеличили на 40 °С или 4 раза по 10.

2. Чтобы найти отношение начальной скорости к конечной, возведём ɣ в четвёртую степень.

3 × 2⁴ = 16

Ответ: скорость реакции возросла в 16 раз.

Катализатор. Катализ

Кроме того, что скорость реакции напрямую зависит от того, как много столкновений частиц происходит за единицу времени, существует ещё один очень важный фактор, влияющий на скорость реакции. Это то, сколько из этих столкновений приводят к реакции. Зачастую проблема заключается не только в том, что частицы должны столкнуться с определённой силой, но, что не менее важно, они должны быть определённым образом ориентированы в пространстве относительно друг друга. И повлиять на это можно, используя катализаторы. 

Собственно, само ускорение химической реакции путём применения катализатора называется катализом. 

Катализатор может существенно увеличить скорость реакции. Порой скорость реакции без участия катализатора может протекать так медленно, что фактически не будет приводить к получению продукта. Так, разложение пероксида водорода на свету довольно долгий процесс, но при добавлении оксида марганца (IV) реакция происходит почти мгновенно. Именно поэтому вопросы, связанные с катализом, занимают в химии важное место.

Особенно важна роль катализаторов в органической химии, а точнее в функционировании живых организмов. Практически все биохимические реакции протекают при участии катализаторов белковой природы, которые называются ферменты .

Надо сказать, что зачастую задача может заключаться не в том, чтобы увеличить скорость какой-то реакции, а наоборот, чтобы максимально замедлить реакцию, протекание которой нежелательно. Для этого можно использовать ингибиторы — вещества, уменьшающие скорость химической реакции. Это не совсем противоположность катализаторов, механизм их действия принципиально различается. Однако, и те и другие находят широкое применение в различных отраслях промышленности.

Ответы

Упражнение 1

3. 9

Упражнение 2

3. 9