В природе и на производстве химические реакции разнообразны и могут протекать с разной скоростью. Скорость одних реакций настолько велика, что они протекают со взрывом, другие идут очень медленно. В этой статье мы разберем само понятие скорости, отчего она зависит, можно ли ею управлять, и как. В химической науке изучением и предсказанием скорости химических реакций занимается «химическая кинетика«.
Почему протекают химические реакции
Химические реакции протекают между молекулами, атомами или ионами, а следовательно на микроуровне. Чтобы молекулы или другие частицы могли прореагировать , они должны столкнуться. Столкновений между частицами бывает очень много, но не все они приводят в результату — взаимодействию. Чтобы взаимодействие произошло, частицы должны обладать достаточной внутренней энергией для разрушения «старых» химических связей и образования новых.
Минимальный избыток энергии, которой должны обладать частицы, чтобы произошло эффективное соударение, называют энергией активации Еа
Энергия активации и есть тот энергетический барьер, который не все частицы могут преодолеть. Если Еа не большая, тогда много частиц могут «преодолеть» этот барьер и скорость реакции будет велика. Если же энергетический барьер большой, то не многие частицы могут преодолеть его и поэтому требуется внешнее воздействие — «толчок», чтобы реакция произошла.
Скорость реакции и среда
Скорость химической реакции зависит от того, в каком агрегатном состоянии находятся все вещества реакции. Они могут находиться в разных фазах: твердой, жидкой или газообразной. Если химические реакции протекают в однородной среде, например, все вещества газообразные или растворы, то взаимодействие между ними происходит во всем объеме реакционной смеси. Такие реакции будут называться гомогенными.
Определение скорости гомогенной реакции
Скорость гомогенной реакции (νгомог ) измеряется числом молей (Δn) веществ, вступивших в реакцию или образовавшихся в результате реакции за единицу времени (Δt) в единице объема (V). Математическое выражение: νгомог = Δn ⁄ Δt ·V
так как отношение числа молей к объему — это есть молярная концентрация, тогда имеет место быть такое выражение: ΔС = Δn ⁄ V
То есть скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени: νгомог = ΔC ⁄ Δt ⌈ моль/л·с⌉
Определение скорости гетерогенной реакции
Если реакция протекает между веществами,находящимися в разных агрегатных состояниях, например: жидкость — твердое или газ — жидкость, а также если реагируют две не смешивающиеся жидкости, то такие реакции протекают только на поверхности соприкосновения веществ. Такие реакции будут называться гетерогенными.
Скорость гетерогенной реакции определяется числом молей веществ, вступивших в реакцию или образующихся в результате реакции в единицу времени на единице поверхности (S). Математическое выражение скорости гетерогенной реакции: νгерерог = — Δn ⁄ Δt ·S
Скорость реакции не является постоянной величиной, можно определить лишь среднюю скорость в данном интервале времени.
Факторы, влияющие на скорость реакций
Так как большинство столкновений между реагирующими частицами не эффективны — иначе все реакции протекали бы мгновенно — то и реакции протекают с разной скоростью, а многим не хватает энергии для самопроизвольного протекания и для этого требуется внешнее воздействие — «толчок»
Природа реагирующих веществ
Если энергия активации частиц в веществе мала (< 40 кДЖ/моль), то это означает то, что многие частицы прореагируют между собой, преодолев низкий барьер. Например, все реакции ионного обмена протекают мгновенно H2SO4 + ВaCl2 ⇒ BaSO4 ↓ + 2HCl , так как в реакции участвуют разноименно заряженные частицы и их энергия мала
Если Еа большая (>120 кДж/моль), то такой большой энергией будет обладать минимальное количество частиц и скорость реакции будет очень мала. Например, протекание многих реакций при комнатной температуре почти не заметно.
Средние скорости будут иметь реакции, у которых энергия активации частиц имеют средние значения (40- 120 кДж/моль). Например, реакции взаимодействия щелочных металлов (Na, K) с водой, некоторых металлов с соляной кислотой и другие.
Концентрация реагирующих веществ
Чем больше концентрация реагирующих веществ, тем больше эффективных соударений будет между частицами, а значит выше скорость реакции. Концентрацию можно изменить добавлением исходных веществ, увеличением давления в газообразных системах. Зависимость скорости химической реакции от концентраций реагирующих веществ устанавливает закон действующих масс:
Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их коэффициентам в уравнении реакции.
Для реакции А + В = D выражение закона : v1 = k1 • CА • CВ . Для реакции 2А + В = D , закон будет иметь вид: v2 = k2 • C2A • CB
CА и CВ — концентрации веществ А и В (моль/л); k1 , k2 — константы скорости реакции. Константа скорости зависит только от температуры и не зависит от концентрации веществ. Закон действующих масс не учитывает концентрации веществ реакции, которые находятся в твердой фазе, потому что реакция идет только на поверхности твердого вещества и концентрация практически не меняется.
Например для реакции горения фосфора 4P + 5O2 = 2P2O5 выражение скорости реакции будет иметь вид: v = k • C5O2 в этой реакции скорость ее пропорциональна только концентрации кислорода.
Температура
Всем известно из школьной практики на уроках химии, что при повышении температуры скорость химической реакции в большинстве случаев увеличивается. Почему это происходит? А это происходит из-а того, что кинетика молекул, то есть их движение, увеличивается, между частицами чаще происходят эффективные соударения, заканчивающиеся образованием новых веществ.
Связь температуры и скорости химической реакции отображается правилом, сформулированным голландским химиком Я.Х. Вант-Гоффом:
Повышение температуры на каждые 100 С приводит к увеличению скорости химической реакции в 2-4 раза. Эту величину называют температурным коэффициентом реакции.
Математическое выражение этой зависимости:
Но не для всех реакций, чтобы увеличить ее скорость, применимо повышение температуры, так как могут начать разлагаться исходные вещества или испаряться.
Действие катализатора
Скорость реакции можно увеличить также с помощью катализаторов — специальных веществ, которые изменяют механизм реакции, направляя ее по энергетически более выгодному пути.
Изменение скорости химической реакции или ее направления с помощью катализатора называют катализом
Различают два вида катализа:
Гомогенный катализ, при котором реагирующие вещества и катализатор, находятся в одном агрегатном состоянии (одной фазе).
Гетерогенный катализ, при котором реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах.
Механизм действия катализатора https://bioshim.ru/wp-admin/post.php?post=48&action=edit
Вещества, замедляющие скорость химической реакции — ингибиторы
Поверхность соприкосновения реагирующих веществ
Когда одно из реагирующих веществ находится в твердой фазе, для скорости реакции важны свойства поверхности: гладкая или мелко кристаллическая. Увеличение скорости гетерогенной реакции объясняется увеличением поверхности соприкосновения реагирующих веществ. Для этого твердые вещества дробят, измельчают, нарушая структуру кристаллической решетки, чтобы на поверхности образовались микрокристаллы, которые значительно увеличивают поверхность.
Проверь себя. реши задачи.👇
