Швидкість хімічної реакції - це зміна концентрації реагуючих речовин в одиницю часу.
При гомогенних реакціях простором реакції позначається обсяг реакційної посудини, а при гетерогенних - поверхня, на якій протікає реакція. Концентрацію реагуючих речовин зазвичай висловлюють в моль / л - кількість молей речовини в 1 літрі розчину.
Швидкість хімічної реакції залежить від природи реагуючих речовин, концентрації, температури, тиску, поверхні зіткнення речовин і її характеру, присутності каталізаторів.
Збільшення концентрації речовин, що вступають в хімічну взаємодію, призводить до збільшення швидкості хімічної реакції. Це відбувається тому, що всі хімічні реакції проходять між деякою кількістю реагують частками (атомами, молекулами, іонами). Чим більше цих частинок в обсязі реакційного простору, тим частіше вони соударяются і відбувається хімічна взаємодія. Хімічна реакція може протікати через один або кілька елементарних актів (зіткнень). На підставі рівняння реакції можна записати вираз залежності швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин. Якщо в елементарному акті бере участь лише одна молекула (при реакції розкладання), залежність буде мати такий вигляд:
v = k * [A]
Це рівняння мономолекулярної реакції. Коли в елементарному акті відбувається взаємодія двох різних молекул, залежність має вигляд:
v = k * [A] * [B]
Реакція називається бімолекулярний. У разі зіткнення трьох молекул справедливо вираз:
v = k * [A] * [B] * [C]
Реакція називається тримолекулярного. Позначення коефіцієнтів:
v - швидкість реакції;
[А], [В], [З] - концентрації реагуючих речовин;
k - коефіцієнт пропорційності; називається константою швидкості реакції.
Якщо концентрації реагуючих речовин дорівнюють одиниці (1 моль / л) або їх добуток дорівнює одиниці, то v = k .. Константа швидкості залежить від природи реагуючих речовин і від температури. Залежність швидкості простих реакцій (т. Е. Реакцій, що протікають через один елементарний акт) від концентрації описується законом діючих мас: швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрації реагуючих речовин, зведених в ступінь їх стехіометричних коефіцієнтів.
Для прикладу розберемо реакцію 2NO + O2 = 2NO2.
У ній v = k * [NO] 2 * [O2]
У разі, коли рівняння хімічної реакції не відповідає елементарного акту взаємодії, а відображає лише зв'язок між масою вступили в реакцію і утворилися речовин, то ступеня у концентрації трохи будуть рівні коефіцієнтам, що стоять перед формулами відповідних речовин в рівнянні реакції. Для реакції, яка протікає в кілька стадій, швидкість реакції визначається швидкістю самої повільної (лімітуючої) стадії.
Така залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин справедлива для газів і реакцій, що проходять в розчині. Реакції за участю твердих речовин не підкоряються закону діючих мас, так як взаємодія молекул відбувається лише на поверхні розділу фаз. Отже, швидкість гетерогенної реакції залежить ще і від величини і характеру поверхні зіткнення реагуючих фаз. Чим більше поверхня - тим швидше буде йти реакція.
Вплив температури на швидкість хімічної реакції
Вплив температури на швидкість хімічної реакції визначається правилом Вант-Гоффа: при підвищенні температури на кожні 10 ° C швидкість реакції збільшується в 2-4 рази. Математично це правило передається наступним рівнянням:
vt2 = vt1 * g (t2-t1) / 10
де vt1 і vt2 - швидкості реакцій при температурах t2 і t1; g - температурний коефіцієнт реакції - число, що показує, у скільки разів збільшується швидкість реакції при підвищенні температури на кожні 10 ° C. Така значна залежність швидкості хімічної реакції від температури пояснюється тим, що утворення нових речовин відбувається не при всякому зіткненні реагують молекул. Взаємодіють тільки ті молекули (активні молекули), які мають достатню енергію, щоб розірвати зв'язки у вихідних частинках. Тому кожна реакція характеризується енергетичним бар'єром. Для його подолання молекулі необхідна енергія активації - деяка надлишкова енергія, якою повинна володіти молекула для того, щоб її зіткнення з іншою молекулою призвело до утворення нової речовини. З ростом температури число активних молекул швидко збільшується, що призводить до різкого зростання швидкості реакції за правилом Вант-Гоффа. Енергія активації для кожної конкретної реакції залежить від природи реагуючих речовин.
Теорія активних зіткнень дозволяє пояснити вплив деяких факторів на швидкість хімічної реакції. Основні положення цієї теорії:
- Реакції відбуваються при зіткненні частинок реагентів, які володіють певною енергією.
- Чим більше частинок реагентів, чим ближче вони один до одного, тим більше шансів у них зіткнутися і прореагувати.
- До реакції призводять лише ефективні зіткнення, тобто такі при яких руйнуються або послаблюються «старі зв'язки» і тому можуть утворитися «нові». Для цього частинки повинні мати достатню енергією.
- Мінімальний надлишок енергії, необхідний для ефективного зіткнення часток реагентів, називається енергією активації Е а.
- Активність хімічних речовин проявляється в низькій енергії активації реакцій з їх участю. Чим нижче енергія активації, тим вище швидкість реакції. Наприклад, в реакціях між катіонами і аніонами енергія активації дуже мала, тому такі реакції протікають майже миттєво
Одне з найбільш ефективних засобів впливу на швидкість хімічних реакцій - використання каталізаторів. До аталізатори - це речовини, які змінюють швидкість реакції, а самі до кінця процесу залишаються незмінними за складом і по масі. Інакше кажучи, в момент самої реакції каталізатор бере активну участь в хімічному процесі, але до кінця реакції реагенти змінюють свій хімічний склад, перетворюючись в продукти, а каталізатор виділяється в первісному вигляді. Зазвичай роль каталізатора полягає в збільшенні швидкості реакції, хоча деякі каталізатори не прискорюють, а уповільнюють процес. Явище прискорення хімічних реакцій завдяки присутності каталізаторів носить назву каталізу, а уповільнення - пригнічення.
Деякі речовини не володіють каталітичною дією, але їх добавки різко збільшують каталітичну здатність каталізаторів. Такі речовини називаються промоторами. Інші речовини (каталітичні отрути) зменшують або навіть повністю блокують дію каталізаторів, цей процес називається отруєнням каталізатора.
Існують два види каталізу: гомогенний і гетерогенний. При гомогенному каталізі реагенти, продукти і каталізатор становлять одну фазу (газову або рідке). В цьому випадку відсутній поверхню розділу між каталізатором і реагентами.
Особливість гетерогенного каталізу полягає в тому, що каталізатори (зазвичай тверді речовини) знаходяться в іншому фазовому стані, ніж реагенти і продукти реакції. Реакція розвивається зазвичай на поверхні твердого тіла.
При гомогенному каталізі відбувається утворення проміжних продуктів між каталізатором і реагує речовиною в результаті реакції з меншим значенням енергії активації. При гетерогенному каталізі збільшення швидкості пояснюється адсорбцією реагуючих речовин на поверхні каталізатора. В результаті цього їх концентрація збільшується і швидкість реакції зростає.
Особливим випадком каталізу є аутокаталіз. Сенс його полягає в тому, що хімічний процес прискорюється одним з продуктів реакції.
Приклади розв'язання задач на швидкість реакції
Також ви можете подивитися ВІДЕО-уроки на цю тему:
І виконати завдання з ЦТ і ЄДІ на цю тему ви можете тут
<
