Конспект урока: Скорость химических реакций. Катализ

Все химические реакции протекают с различной скоростью. Одни происходят моментально, например, взаимодействие калия с водой с образованием гидроксида калия и водорода, а другие могут протекать годами.

 

Скорость реакции показывает, насколько быстро образуются продукты или расходуются исходные вещества в той или иной химической реакции. В ходе химической реакции изменяется концентрация веществ, поэтому эту величину можно использовать для отслеживания скорости.

Для расчёта скорости используется довольно простая формула:

c — концентрация вещества (реагента или продукта), измеряется в моль/л; 

t — время, за которое произошло данное изменение концентрации, измеряется в секундах.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Мы рассмотрим пять факторов, которые оказывают влияние на скорость химической реакции.

      1. Природа реагирующих веществ

Этот фактор основывается на том, какие вещества вступают в химическую реакцию, так как они обладают различной активностью и, соответственно, реагировать будут с различной скоростью.

Например, различные металлы будут реагировать с одной и той же кислотой с разной скоростью. Так, кальций быстрее будет вытеснять водород из соляной кислоты, чем цинк, потому что кальций — более активный металл.

Также многое зависит от природы самой кислоты. Если взять один и тот же металл, например магний, и заставить его реагировать с сильной серной кислотой и со слабой уксусной кислотой при одинаковых условиях, то реакция в первом случае, конечно, будет протекать быстрее, так как в растворе сильной соляной кислоты содержится больше катионов водорода, чем в растворе слабой уксусной.

      2. Температура

Ржавление железа — достаточно долгий процесс образования оксидов железа. Но если провести похожую реакцию при нагревании, то процесс пойдёт быстрее.

Многие факторы исследовались учёными. Фактор изменения температуры тоже не был исключением. Нидерландский химик Якоб Хендрик Вант-Гофф выявил такую зависимость: при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2–4 раза. На основании это был введён температурный коэффициент ($\gamma$), который применяется при расчёте изменения скорости химической реакции: 

${\nu }_2={\nu }_1\cdot {\gamma }^{\frac{t_2-t_1}{10}}$,

где $v_2$ —  скорость реакции при $t_2$

$v_1$ —  скорость реакции при$t_1$

$\gamma$ — температурный коэффициент

$t_1$ и $t_2$ — температура (°C).

Рассмотрим задачу для нахождения скорости реакции через температурный коэффициент.

Дано:

$t_1$ = 67 °C

$\gamma$ = 4

$t_2$= 97 ^°C

$v_1$ = 1

Найти:

$v_2$ — ?

Решение:

1. Записываем формулу: ${\nu }_2={\nu }_1\cdot {\gamma }^{\frac{t_2-t_1}{10}}$

2. Подставляем известные данные вместо переменных:

${\nu }_2=1\cdot 4^{\frac{97-67}{10}}=4^3=64$

Ответ: скорость реакции увеличится в 64 раза.

      3. Концентрация реагирующих веществ

Дело в том, что чем больше концентрация, тем больше частиц вещества находится в реакционной среде. Больше частиц, и, соответственно, выше вероятность того, что частицы столкнутся и начнут взаимодействовать.

      4. Площадь соприкосновения реагирующих веществ

Мы помним, что химические реакции бывают гетерогенные и гомогенные.

Гетерогенные реакции — реакции, протекающие между веществами, которые находятся в разном агрегатном состоянии. Например, между твёрдым веществом и жидкостью. Химическая реакция в таких случаях протекает только на границе соприкосновения веществ.

      5. Наличие катализатора

В 1835 году шведский химик Й. Я. Берцелиус предложил термины катализ и катализатор.

Катализаторы могут изменять не только скорость реакции, но и её путь, поэтому продукты одной и той же реакции, протекающей с участием катализатора и без него, могут различаться. 

Стоит учитывать тот факт, что в случае обратимой реакции катализатор будет изменять скорость и прямой реакции, и обратной.

Наш организм также является средой для протекания многих каталитических реакций. Биологические катализаторы называются ферментами .

Катализаторы широко используются в промышленности, медицине и других сферах деятельности человека.

Мы рассмотрели понятие скорости химической реакции и формулу, используемую для расчёта этой величины, а также факторы, которые на неё влияют: природу реагирующих веществ, температуру, концентрацию, площадь соприкосновения реагирующих веществ и наличие катализатора.